渐缩土壤水分传感器装置和安装方法
渐缩土壤水分传感器装置和安装方法
【技术领域】
[0001]本发明的领域是土壤传感器，特别地，是传感器元件和传感器元件外壳和用于在土壤中放置土壤传感器外壳的方法和设备。
【背景技术】
[0002]在本申请人所拥有的包括US5418466、AU760525、AU20030331464、US7042234 和US7240743的各种公开专利和专利申请中描述了土壤特性测量、特别是土壤水分和盐分的领域，在本说明书中加入它们的全部内容作为参考。
[0003]虽然在上述的专利中公开的装置是可行的，但总是存在使成本最低化并且创建更容易、更节省时间且更简单地可重复的用于在土壤中安装传感器并且测量土壤的水分和盐分的装置的压力。
[0004]在这里公开的发明提供作为在前面提到的申请人的专利和专利申请中公开的装置的改进和/或替代性装置的一个或更多个装置。
【发明内容】
[0005]在本发明的一个方面中，一种用于土壤中的制备开口中的电容土壤水分传感器装置的外壳，该外壳具有:
[0006]本体，所述本体适于容纳土壤水分传感器装置，其中，传感器配置于外壳内并且沿着外壳的长度，所述本体具有头端和插入端，所述本体被整形为使得插入端的最大外径小于所述本体的头端的最大外径，并且，所述本体适于插入到制备开口中，使得所述本体的外表面沿外壳的整个长度与形成制备开口的土壤一致。
[0007]在本发明的另一方面中，一种在具有在前段中描述的外壳的土壤中安装电容土壤水分传感器装置的方法包括以下步骤:
[0008]a)在土壤中制备开口，该开口具有会聚于开口的基底附近的区域的内壁;和
[0009]b)将外壳插入到制备开口中，直到外壳的本体的外表面沿外壳的整个长度与制备开口的土壤边接触。
[0010]在本发明的又一方面中，一种用于土壤中的制备开口中的电容土壤水分传感器装置包括:
[0011]a)外壳，包括头端以及具有内表面和外表面的插入端，插入端用于沿外壳的整个长度插入到制备开口中；
[0012]b)与外壳的内表面相邻的、位于外壳内的具有最大外径的第一电容传感器；
[0013]c)被定位为与外壳的内表面相邻并且具有比第一电容传感器的最大外径小的最大外径的第二电容传感器，第二电容传感器被定位为比第一电容传感器更接近外壳的插入端，
[0014]其中，外壳在使用中处于制备开口内，并且，外壳的外表面与制备开口的边接触，并且第一电容传感器和第二电容传感器被设置为用于至少测量其中插入传感器装置的土壤的水分。
[0015]在本发明的又一方面中，电容传感器基本上是圆的。
[0016]在本发明的又一方面中，电容传感器中的每一个包含导电材料的至少两个传感器元件，这些传感器元件的形状为在使用中具有与其它电容传感器共轴的共用中心轴。
[0017]在本发明的实施例中，电容传感器包含柔性导电材料的至少两个传感器元件。
[0018]在本发明的又一方面中，一种用于外壳中的电容土壤水分传感器，该外壳具有头端和外径比头端小以被插入到土壤中的制备开口中的插入端，该电容土壤水分传感器包含:
[0019]a)具有最大外径的第一电容元件;和
[0020]b)具有比第一电容元件的最大外径小的最大外径的第二电容元件，第二电容元件沿外壳纵向地与第一电容元件分开，并且被定位为比第一电容元件更接近插入端，
[0021]其中，第一和第二电容元件提供用于至少测量其中插入外壳的土壤的水分的电容传感器。
[0022]在本发明的又一方面中，根据前一段的电容土壤水分传感器装置包括:
[0023]a)至少一个电容传感器，所述的至少一个电容传感器包含:
[0024]a.具有最大外径的第一电容元件;和
[0025]b.具有比第一电容元件的最大外径小的最大外径的第二电容元件，第二电容元件沿外壳纵向地与第一电容元件分开并且被定位为比第一电容元件更接近插入端;和
[0026]b)具有本体的外壳，所述本体具有适于容纳至少一个土壤水分传感器的中空体，所述本体具有头端和插入端，本体的形状为使得插入端的最大外径小于本体的头端的最大外径，其中，本体在被插入到制备开口中时使得外壳的本体的外表面沿外壳的整个长度与制备开口的土壤边接触。
[0027]在本发明的又一方面中，电容元件具有圆形形状。
[0028]在又一方面中，本体的外形与传感器元件的外形一致。
[0029]在本发明的一个方面中，外壳的本体包含包封多个电容土壤水分传感器装置的材料，使得传感器具有相对于外壳的固定位置。
[0030]在本发明的又一方面中，电容土壤水分传感器装置的外壳的本体包含其中定位两个或更多个电容土壤水分传感器装置的柔性外形，并且，还包含位于柔性外形内的材料，该材料使柔性外形变硬以使得本体可被插入土壤中的制备开口中。
[0031]在本发明的一个方面中，深度基准被设置在外壳的本体的外部上，以帮助将本体插入到制备开口中的预定深度。
[0032]在本发明的另一方面中，一种用于在具有上表面的土壤中安装根据上一段所述的电容土壤水分传感器装置的方法，步骤包括:
[0033]a)在土壤中制备开口，该开口具有当创建开口时形成的内壁，其中，开口在土壤表面上具有比土壤表面下面的开口底面附近的最大内径大的最大内径；
[0034]b)将外壳的本体和安装的电容土壤水分传感器插入到制备开口中，并且沿外壳的完全插入长度将外壳的外壁压在开口的内壁上。
[0035]在另一方面中，制备开口的尺寸为超过外壳的长度。
[0036]在用于至少在前段中描述的本发明的方法中的本发明的一个方面中，存在用于制备适于电容土壤水分传感器装置的安装方法的开口的螺旋钻，螺旋钻包含螺旋段(spiralflight)，该螺旋段具有比螺旋钻的本体的插入端处的外周大的、螺旋钻的本体的从动端上的外周。
[0037]传感器外壳上的向下力越大，则压力越大，并且，在传感器外壳的外部区域与形成开口的土壤表面之间没有间隙的可能性越大。
[0038]在整个本说明书以及后面的权利要求中，除非上下文另外要求，否则，词语“包括”和“包含”和诸如“含有”和“内含”的变体应被理解为意味着包含陈述的特征或者特征组，但不排除任何其它特征或特征组。
[0039]在本说明书中提到任何【背景技术】或现有技术不是并且不应被视为承认或者以任何形式暗示这种【背景技术】或现有技术构成公知常识的一部分。
[0040]现在参照附图并以附图为示例更详细地描述本发明的特定实施例。这些实施例是解释性的，不意味着限制本发明的范围。可能在本发明的范围内包含其它实施例的暗示和描述，但是它们没有在附图中被例示，或者，替代性地，本发明的特征可能在附图中表示但没有在说明书中描述。
【附图说明】
[0041]图1示出安装于土壤中的土壤水分传感器装置的实施例的剖视图；
[0042]图2示出土壤水分传感器装置的电路的一部分的示意图；
[0043]图3示出位于外壳中的两个土壤水分传感器的剖视侧视图；
[0044]图4示出适于在地面中创建适当的开口来接收外壳的整个长度的螺旋钻的实施例的侧视图；
[0045]图5示出外壳中的两个土壤水分传感器元件的近距离分解侧视透视图；
[0046]图6示出安装于土壤中的土壤水分传感器元件的另一实施例的剖视侧视图；
[0047]图7示出图6所示的土壤水分传感器元件的实施例的剖视透视侧视图。
【具体实施方式】
[0048]对于土壤水分传感器的迅速有效的安装方法的需要是创建本发明的方法和手段的原因之一。
[0049]本发明有数个方面，这些方面广义上包括以下:
[0050].用于电容土壤水分传感器装置的外壳；
[005?].用于在土壤中形成适于电容土壤水分传感器装置的外壳的开口的螺旋钻；
[0052].用于在钻取的过程中使螺旋钻稳定化以帮助创建土壤开口的螺旋钻稳定化基板和螺钉，该土壤开口具有用于沿其整个长度接受传感器外壳的渐缩形状的一致性侧壁；
[0053].用于外壳中的至少两个电容土壤水分传感器的阵列；
[0054].安装于外壳中的电容土壤水分传感器装置；
[0055].用于在土壤中制备开口以用于插入电容土壤水分传感器装置的外壳的方法;和
[0056].在外壳中安装电容土壤水分传感器装置的方法。
[0057]土壤水分以及任选的盐分传感器的工作在前面提到的申请人名义的参考专利申请中被适当地描述，因此信息在这里不被重复，并且出于在参考的专利中给出的所有那些原因，所述工作足以强调对于传感器外壳以及外壳内的电容传感器在使用中 与周围土壤一致的基本需求，这些基本需求可通过外壳和传感器的设计和使用的安装方法来实现。
[0058]本发明的传感器(优选电容传感器)可被用作包括传感器电路的测量网络的一部分，该传感器电路也读取可将传感器数据暂时存储和/或传送到适当的计算机设施、数据记录器或手持设备的多个传感器。
[0059]另外，可通过使用容易产生综合趋势和图形的一体化模型处理传感器的原始数据，这些趋势和图形帮助作物管理人员进行与影响作物生产的灌溉和园艺的管理实际有关的决定。
[0060]在本说明书中，不详细描述将数据收集、存储、传送、校准、处理和显示为关键值、图片、图形、趋势、阈值、表格、预报和推荐以获得用于灌溉调度的容易进行决定的工具的处理。
[0061]图1示出电容土壤水分传感器装置10的实施例，该电容土壤水分传感器装置10原位地(in situ)包含位于外壳16内的用于容纳电容传感器14的阵列的支撑框架12，该外壳16具有开放的顶端和封闭的底端。开放的顶端可通过帽子17被密封，但在实施例中，通过用硬化的可流动材料填充外壳，传感器外壳被密封以防止诸如气态或液态的水分的环境入侵，并且并由此不具有单独的顶部，所有的数据通信是有线的或无线的。外壳下降到具有表面22的土壤20中的制备开口 18中，直到外壳的总长处于土壤内。外壳16的内径的形状使得将电容传感器14放在外壳的内壁的附近并因此使其与周围的土壤紧邻。
[0062]还发现优选地地面中的制备开口被整形为使得外壳与周围的土壤紧密配合，使得放在其中的传感器也接近被监视的土壤。已发现在外壳16的外壁附近存在空气间隙不利地影响从这些间隙附近的传感器进行的测量的精度和可重复性以及绝对值。另外，在发生降雨和灌溉事件时，空气间隙的存在可使得水的流动，并且可能还使得产生在降雨或灌溉事件之中和之后位于传感器外壳以及由此传感器附近的水池，并且，该水的存在不利地影响在降雨事件之前、之中和之后进行的任何测量、特别是土壤水分和盐分测量的精度和相关性。
[0063]任何可察觉的空气间隙会人为降低进口管周围的土壤的密度，并且有时会填充空气。在第一种情况下，空气间隙会使传感器的影响球畸变并且减小任何测量值，特别是被测量的水分和盐分，并且，在第二种情况下，水会畸变并且减小影响球并且当然会不利地影响测量值。
[0064]电容传感器14被示为沿纵向与支撑框架12分开，这些电容传感器14在本实施例中分别处于土壤表面以下10、20、30…厘米(在图1中没有按比例，而是以绘画的方式被示出)。在监视的过程中，电容传感器14保持在它们的位置中。可以设置基准指示器，在一个形式中，它是沿本体的长度位于预定位置处的传感器装置的外壳的本体外部周围的可见(浮雕或凸起形状)线。在另一形式中，外壳的顶部可以是将外壳插入到制备开口中的水平。基准指示器使得电容传感器在当外壳被插入到制备开口中时，当基线与土壤表面一致时的以上指示的土壤中的深度处具有合理精确的位置。应当注意，土壤表面是很容易在现场确定的已知水平，原因是它是作物将通过其长出的土壤的表面，并且，从该表面向下是作物根系。在一个实施例中通过传感器装置测量的土壤水分与作物根系的发展紧密相关。
[0065]电子电路24被示为与电容传感器14相邻，并且被用于转换相邻电容传感器的特性的变化，这些特性的变化的信号在一个实施例中代表在预定的时间间隔上周围土壤20中的水分以及任选的盐分，并且可由此被用于评价随时间的变化。
[0066]优选地，电子电路24在支撑框架12上面近邻其各传感器，但在一个实施例中，框架为电气连接到柔性基板上的导电区域的印刷电路板的形式，该印刷电路板形成电容传感器14的电容元件。相邻性使在传感器与电路之间的任何互连电缆上拾取的伪信号最小化。各电子电路包含电容元件与之交互作用的调谐电路的其它所需部分，并且，该电路也适于提供在一个实施例中代表周围土壤的水分以及可选的盐分和温度的信号，该信号然后通过多绞电缆28或印刷电路，或者在另一实施例中以无线的方式从传感器装置和外壳的外部被传送到数据收集装置26。在图1所示的实施例中，数据收集装置的位置与原位传感器装置10相邻，使得，在可用于这种配置中的电缆上，信号损失和伪信号干涉的影响最小化。但是，这不是理想的配置，原因是使用的物理空间夺去可用的耕地，它中断紧邻处的作物的耕作(tilling)和照顾，并且增加需要照看和维护的另一组设备，由此，在没有明确表示的实施例中，来自传感器阵列的数据的通信是通过无线手段。在实施例中，收集的数据通过使用无线通信装置被传送到传感器外壳的外面。在一个优选的装置中，数据通过使用Bluetooth?被传送到诸如例如智能电话的移动设备，在该智能电话上，应用可用于接收和处理传感器数据。Bluetooth?装置可以但不限于被设置在传感器外壳内。
[0067]从位于数据记录器附近的电池(未示出)提供用于传感器装置和数据收集装置26的电力，这些电池进而通过大量的电源选项、太阳能电气转换器(太阳能面板)30以及在其它的实施例中通过位于外壳附近的电磁无接触充电器被充电。
[0068]帽子32任选地位于外壳16的上开口上，以帮助防止雨水、脏物和昆虫入侵并由此保护传感器装置不受环境损害的影响。
[0069]以上的配置仅是适当的电容土壤水分传感器装置的一个例子。
[0070]图中没有示出的另一配置包括完全环境封装的传感器装置，其中，传感器位于完全密封本体形式内，并且，数据输出使用电缆或无线信号，通过其传送至少代表所收集土壤水分和盐分数据的信号，但其也可包含温度、测试规则数据、定时数据等，而也在密封本体形式内有自含的电源，并且，如果希望的话，有允许诸如例如电池的电源的无线外部充电的接点。
[0071]存在电容传感器可被创建并且被安装于这里描述的形式的本体内的许多形式。在一种形式中，构成电容传感器的阵列的传感器位于外壳内，并且，当外壳被液体(其凝固以不仅将传感器固定于位置而且向外壳提供刚度)填充时，相对于外壳被固定于那里。
[0072]图2示出土壤水分和盐分传感器及其相关的电子传感器特性检测和传送电路的功能框图。各种组合中的电容(34、36)和电感(38、40)元件形成用于振荡电路42的L-C调谐网络。
[0073]在本实施例中，传感器包含上导电环34和下导电环36的形式的电容元件，这些电容元件在使用中以相互纵向隔开的关系被设置以保持恒定的间隙(可以是空气，但可被校准，以在存在任何介入的材料的情况下工作)，并且以图1所示的方式位于土壤(或测量的其它介质)中。
[0074]在实施例中，在被配置为形成导电材料的环的柔性基板上形成环，这里，环具有不同的直径，或者至少多对环具有非常相近的直径，而形成电容传感器的多对环根据它们是否更接近外壳的头端或插入端沿具有更大或更小的直径的外壳的长度纵向分开。
[0075]图2所示的电路的剩余部分在US5，418，466中被详细描述，并且不在这里描述。该电路仅作为例子被使用，并且不是本发明的主题。
[0076]图3示出用于图1所示的土壤中的制备开口中的土壤水分传感器装置的外壳的实施例。
[0077]外壳具有适于容纳土壤水分传感器装置的本体。一个实施例中的适应性使得，预安装于框架或印刷电路板上的电容土壤水分传感器的阵列将通过使得本体适应于具有形状为容纳特定传感器阵列的渐缩内壁形状而配合，并且在一个实施例中在形状上可适应于各电容传感器的附近。
[0078]电容传感器包含两个电容元件，并且，第一个和第二个沿外壳在纵向上分开，第一电容元件与第二电容元件分开，并且，第二个的位置比第一个更接近插入端。
[0079]这些电容传感器中的多个可沿外壳的本体的内部的长度被排列，从头端到插入端沿外壳在纵向上分开，每个单独地与调谐电路相关。
[0080]在实施例中，本体具有放置柔性形式的电容传感器的柔性形式。柔性电容传感器由导电塑料材料形成，该导电塑料材料可折叠或者至少变形，以经由开放的顶部区域被放入外壳中，或者，在另一实施例中穿过柔性形式的本体中的孔径中，并且该导电塑料材料具有一定的回弹力的趋势，这符合柔性本体的优选圆内壁，并且当沿准备好根据需要与其它电容传感器连接的本体的内部长度被适当定位时，允许数据被收集或者数据在本地被处理。
[0081 ]在以本申请人的名义在2014年4月10日提交的澳大利亚临时专利申请200149中描述了电容传感器的特定形式，在这里加入其全部内容作为参考。在示例性形式中，在诸如塑料或聚酰亚胺板的柔性载体上形成电容传感器的阵列，并且，传感器可缠绕成大致圆形截面，该大致圆形截面也呈渐缩，使得一端具有比另一端大的直径。在实施例中，创建电容传感器的片材由具有可容纳于这里描述的形式的外壳内的非平行边的至少一对相对边形成，原因是片材的形状折叠和固定成渐缩形式。单个片材具有提供三个阵列的元件，并且，通过对准片材以具有相符的纵轴、同时还... 沿外壳的长度提供渐缩体的增加的直径，创建这种传感器的阵列。
[0082]提到的圆形截面仅是示例性的，原因是传感器的形状不需要是圆形以执行其感测任务，但优选传感器符合外壳的内壁形状且外壁形状在截面中与内壁形状相同，使得传感器位于外壳被插入的土壤附近。
[0083]在又一形式中，柔性传感器或传感器载体被送到外壳内且位置临近具有大致圆形截面的外壳的内壁。外壳的内部可填充材料，以将传感器和其它的装置固定于外壳内的位置中。填充材料将是非导电性的，并且，可有助于外壳的刚硬性，例如，凝固以提供高的压缩强度和刚度的可流动聚氨酯。
[0084]电容传感器可被配置为邻近外壳的本体的内壁但与其分开，使得可流动材料完全包围传感器元件和传感器的装置，并最终在它们周围凝固以然后相对于外壳固定它们的物理位置并且还保持它们的电磁特性，使得这些特性即使在被传输、存放和安装之后也相同。这是重要的特征，原因是传感器阵列的可重复性和寿命得到大大提高。
[0085]因此，外壳的内部包含传感器的适当定位的阵列，这些阵列同时被配置为与各电容传感器电路连接，并且，这些电路被配置为将它们的各自的信号传送到外壳的外部(最优选通过无线通信)。
[0086]外壳16的本体具有头端50和插入端52，本体被整形为使得插入端的最大外径比本体的头端的最大外径小，在本实施例中，x = 30mm且y = 24mm，并且，外壳的长度z为1200mm，而在图4中，螺旋钻的长度z比图3中的外壳的z长190_。本体的外形的形状便于将插入端插入到土壤中的制备开口 18(图1)中，这一点在于，如图3以绘画的方式示出的那样，在外壳为大致圆形截面的情况下，存在大致圆锥形状。
[0087]但是，如果外壳具有扁平或者甚至正方形或矩形截面，那么外壳仍然可能在适当形状的框架上容纳适当形状的电容土壤水分传感器装置的阵列。这一点也可在于，外壳的本体具有沿其长度的预定部分的这些形状。并且，当框架被插入到外壳内时，外壳的内壁也会适于允许电容元件邻接内壁，并且，进一步地，外壳的本体的外形符合电容传感器的外形，不管它是什么形状，以允许传感器的电容元件接近土壤中的制备开口的内壁并且用于使得本体的外形与形成制备开口的土壤一致，使得传感器接近外壳被插入的土壤。考虑外壳和任何其它间隙，接近可以是没有间隔的邻近，或者，处于电磁可接受的间隔内。这种装置的一个实施例可包括上面放置形成调谐电路的一部分的导电区域的柔性材料片材，其中，片材材料具有当形成为配合于外壳内以在外壳的内壁内以片材为中心时可变形以向着传感器外壳的内壁伸出片材外并且关于片材被定位的接头片。
[0088]在外壳具有从头端50向下到插入端52具有渐缩的圆形截面的实施例中，土壤中的制备开口的形状需要互补，这一点在于，开口也是从土壤表面向下到开口的最下区域具有渐缩的圆形截面。为了创建这种开口，提出使用具有通常在螺旋钻中没有发现的特别的特性的螺旋钻。
[0089]参照图4，适于创建具有上述特性的开口的螺旋钻60在一个实施例中具有螺旋段，如图4所示，该螺旋段具有螺旋钻的本体的从动端处的外周X，该外周X比Z的加长190mm的螺旋钻的本体的插入端处的外周X大。可通过获知插入到土壤中的制备开口中的外壳将具有预定的x、y和z尺寸，确定螺旋钻的尺寸。在以下的尺寸x = 30、y = 24和z = 1200mm的外壳的情况下，螺旋钻尺寸可相同或稍小，诸如，例如，至少在1200mm深度z处，x = 29mm，y = 23mm。
[0090]更有效地，螺旋钻的旋转的驱动是通过能够至少以每分钟550转在各种土壤类型中旋转螺旋钻的约150瓦的电钻。这些要求仅是为了指导，设备的用户将最好地判断功率要求并有效地进行处理的钻取步骤，同时确保安全。
[0091]适当的螺旋钻尺寸可依赖于土壤类型和互补外壳形状和制成材料。在以本申请人的名义在2014年4月10日提交的澳大利亚临时专利申请200149中描述了螺旋钻的特定的形式和制造方法，在本说明书中加入其全部内容作为参考。
[0092]可能必须设置用于稳定化被用于创建地面中的开口时的螺旋钻的装置(未示出)，其中，装置将施加的直接向下的力引导到正在旋转的螺旋钻，并在从地面挖掘土壤的过程中使任何侧向力最小化。装置可包括具有圆筒形状的圈的框架，通过该圈放置螺旋钻，这引导到工作中的螺旋钻的方向，框架以适当的方式锚定于地面。
[0093]根据任何以上描述的电容土壤水分传感器装置(在安装于用于土壤中的制备开口中的外壳时)的安装方法包括制备土壤中的开口的步骤，其中，开口具有当创建开口时形成的内壁，使得开口在土壤表面上具有最大内径，该最大内径比土壤表面下的开口的底部附近的最大内径大，使得外壳的全长基本上处于土壤内，并且，外壳的本体的外表面基本上沿外壳的全长与土壤中的制备开口的内侧壁接触，从而指示外壳被完全插入到制备开口中。完全插入外壳的重要性在于，使得土壤匹配外壳的外形使间隙的可能性最小化，并且最小化或消除通过外壳内的传感器阵列记录的土壤水分和盐分测量的空气和水畸变。最好通过使用上述的螺旋钻实现创建孔径的步骤，但可有用于实现描述的开口的形式的其它手段和方法。
[0094]在用于制备开口的优选装置中，它的尺寸为超过外壳的长度，使得创建的额外的孔空间可接受在螺旋钻土壤提取过程中从螺旋钻落离的土壤，而不连累用于完全插入传感器外壳的开口的想要深度，使得外壳的外壁沿外壳的整个插入长度配合于外壳的内壁，并且，在外壳的外部可见表面上使用插入基线或指示器的深度，或者，外壳的顶部是基准，从而封装于外壳内的传感器的总长处于制备开口内。
[0095]外壳的本体适于插入到制备开口中，使得本体的外表面沿外壳的总长符合形成制备开口的土壤。
[0096]通过使用这里描述的类型的螺旋钻，实现在土壤中制备开口的处理，该开口具有会聚于开口基底附近的区域，该开口适于插入土壤水分传感器外壳。开口的形状由螺旋钻的外形确定，但被配置为使得，形成开口，使得外壳的本体的外表面将沿外壳的总长与制备开口的土壤边接触。开口将一般具有会聚于开口基底附近的区域的内壁。
[0097]关于在本说明书中的参考专利中公开的用于制备土壤水分传感器装置的开口，很显然，与在本说明书中公开的传感器装置和外壳的小于10分钟相比，制备时间和安装时间对于这些类型的传感器外壳来说为30?60分钟，由此，与使用现有的装置、安装设备和安装方法的安装相比，向安装者(一般是作物种植者)提供更大的优点。
[0098]下一安装步骤是通过沿外壳的插入长度或者最优选沿外壳的总长将外壳的外壁压在开口的内壁上将外壳的本体(如上面通过大量的实施例描述)和位于外壳内的传感器或传感器阵列插入到制备开口中。当使用上述的形式的外壳时，该步骤是可能的，其中，夕卜壳的头端具有比外壳的插入端的最大外径大的最大外径。特别地，优选外壳的外壁符合制备开口的内壁。如果外壳的截面形状不是圆形，最大外径测量准则会同样适用，因此，仅作为例子，如果外壳沿外壳的纵向长度具有扁平的截面形状，那么仍在头端和插入端处以及在制备开口的表面和底部处确定最大直径。
[0099]在图5中示出用于外壳内的电容土壤水分传感器元件14的实施例。对于外壳18具有圆形截面且传感器元件34和36由圆形导电环形成的实施例，外壳18被示为具有夸大的外壳内壁会聚。夸大的外壳壁会聚也可能夸大从环中的每一个的顶部向外的壁的发散，但实际上差异非常小，并且，各环的外壁很容易符合外壳的内壁。符合未必意味着接触，而可包含传感器元件均匀地与内壁分开的形式。
[0100]并且，夸大的会聚被用于示出各环的最大外径稍微不同，例示表示图中的上环(更接近外壳的头端)具有比图中的下环(更接近外壳的插入端)稍大的直径，而实际上环可具有非常接近的匹配但仍然不同的直径。环的外径很容易被确定，但具有与环不同的形状的传感器的外径也可通过在使用中从形状的侧视图观看的传感器形状的最宽部分之间测量来确定，使得形状的标称中心与纵向外壳的纵轴共轴。电容传感器的外径是形成电容传感器的两个电容元件中的较大一个(如果存在差异)的直径的最大值。
[0101]图3表示沿外壳的长度成对排列的环形电容传感器的部分透视图。外壳的纵轴没有被示出，但是是一般圆形截面外壳的标称中心轴，该一般圆形截面外壳如上面描述的那样在从头端50处的X距离到插入端52处的y距离的最大外径上呈渐缩。当被安装并且最终关于外壳被固定时，传感器的纵轴一般与外壳的最小中心轴共轴。
[0102]关于示出的实施例中的成形传感器、环的电磁特性，它们最可能基本上相同并且一起工作，以提供电容土壤水分传感器34、36，而不管调谐电路的一部分的直径有任何小的不同。
[0103]如果电容土壤水分传感器具有金属环形式的圆形截面形状以外的形状，诸如扁平或者甚至矩形或正方形，也同样是这种情况，原因是，在使用中，在调谐电路中，这些元件将仍然用于检测传感器的周围影响球 的变化，并且帮助确定相邻土壤中的水分/复杂介电常数和盐分的绝对值。如上所述，各电容传感器元件由可具有柔性的导电材料制成，但被定位为符合外壳的内壁形状，或者定位于壁状结构内，该壁状结构通过进一步的处理变为能够插入到土壤中的制备开口中的传感器外壳。
[0104]在图5中没有示出附加的电容土壤水分传感器元件14，该电容土壤水分传感器元件14由此形成用于调谐电路中并且位于以绘画的方式在图1和图3中表示的外壳内的至少两个电容土壤水分传感器元件的阵列。在实际的装置中，沿外壳的总深度/长度或者深度/长度的一部分，存在纵向分开约10厘米的多对电容土壤水分传感器元件14，或者，根据周围土壤中的作物，存在沿外壳的深度定位的多群电容土壤水分传感器元件14。如在申请人的名义的参考专利中公开的那样，电容土壤水分传感器元件的定位可被用于获得关于作物及其随时间的摄水的有价值的信息。
[0105]图6示出安装于土壤中的土壤水分传感器装置的另一实施例的剖视图，该土壤在这种情况下是草皮环境，该草皮环境与作物环境相比，需要进行测量的深度是浅层土壤。在图6和图7所提供的示图中，外壳的本实施例仍具有上述的特性，但外壳的深度远小于对上述的实施例表示的情况，为约250mm。在本实施例中，在使用中，传感器元件和外壳在水平面中具有圆形截面形状。
[0106]图7示出图6所示的土壤水分传感器装置的实施例的剖视透视图。在图6和图7中，同样，各单个传感器元件34和36被示为纵向分开，以创建在图2中作为这种电路的一个实施例示出的土壤水分确定电路的电容部件。这些图是解释性的，并且，可存在多于一个的位于外壳中的传感器，并且，传感器的尺寸在图中被夸大以确保清楚。
[0107]为了在土壤(草基材料)中创建开口，使用具有稍微会聚侧壁的匙形取土器。该装置的大的优点在于，在将外壳插入到制备开口中时，外壳的会聚外壁趋于很容易地符合开口的会聚内壁，以在传感器元件与周围的土壤之间产生很少或者不产生间隙。
[0108]关于在本说明书中公开的所有实施例，在土壤中创建开口比现有方法更简单，并且，外壳的形状符合制备开口，以使得电容土壤水分传感器元件接近周围的土壤，附加的益处是空气间隙的最小化或者消除，以及由此的外壳与周围土壤之间的水池的最小化或者消除。
[0109]在大地中的制备的渐缩开口中使用渐缩传感器外壳的原因在于，实现确保间隙的消除，原因是，传感器向下移动到互补的整形开口中确保传感器外壳的外表面将针对形成开口的土壤表面在传感器外壳的整个插入长度的总外部区域上施加压力。传感器外壳上的向下力越大，则压力越大，并且，不在传感器外壳的外部区域与形成开口的土壤表面之间存在间隙的可能性越大。
[0110]因此，有理由提供在形状和配置上也符合外壳的内壁的传感器阵列，该传感器阵列还包含对于各对电容元件的更小直径环，当这些环进一步位于细长传感器外壳下面(关于传感器外壳的头端)时。
[0111]本领域技术人员可以理解，本发明在其使用中不限于描述的特定应用。本发明关于这里描述或示出的特定的要素和/或特征也不限于其优选的实施例。应当理解，可在不背离本发明的原理的情况下提出各种修改。因此，本发明应被理解为在其范围内包括所有这种修改。
【主权项】
1.一种用于土壤中的制备开口中的电容土壤水分传感器装置的外壳，该外壳具有: 本体，所述本体适于容纳土壤水分传感器装置，其中，传感器配置于外壳内并且沿着外壳的长度，所述本体具有头端和插入端，所述本体被整形为使得插入端的最大外径小于所述本体的头端的最大外径，并且，所述本体适于插入到制备开口中，使得所述本体的外表面沿外壳的整个长度与形成制备开口的土壤一致。2.—种用于安装适于容纳土壤水分传感器装置的外壳的方法，其中，传感器配置于根据权利要求1所述的外壳内并且沿着该外壳的长度，该方法包括以下步骤: a)在土壤中制备开口，该开口具有会聚于开口的基底附近的区域的内壁;和 b)将外壳插入到制备开口中，直到外壳的本体的外表面沿外壳的整个长度与制备开口的土壤边接触。3.一种用于土壤中的制备开口中的电容土壤水分传感器装置，包括: a)外壳，包括头端以及具有内表面和外表面的插入端，插入端用于沿外壳的整个长度插入到制备开口中； b)与外壳的内表面相邻的、位于外壳内的具有最大外径的第一电容传感器； c)被定位为与外壳的内表面相邻并且具有比第一电容传感器的最大外径小的最大外径的第二电容传感器，第二电容传感器被定位为比第一电容传感器更接近外壳的插入端， 其中，外壳在使用中处于制备开口内，并且，外壳的外表面与制备开口的边接触，并且第一电容传感器和第二电容传感器被设置为用于至少测量其中插入传感器装置的土壤的水分。4.根据权利要求3所述的电容土壤水分传感器装置，其中，各电容传感器基本上是圆的。5.根据权利要求3所述的电容土壤水分传感器装置，其中，各电容传感器包含导电材料的至少两个传感器元件，这些传感器元件的形状为在使用中具有与其它电容传感器共轴的共用中心轴。6.—种用于外壳中的电容土壤水分传感器，该外壳具有头端和外径比头端小以被插入到土壤中的制备开口中的插入端，该电容土壤水分传感器包含: a)具有最大外径的第一电容元件;和 b)具有比第一电容元件的最大外径小的最大外径的第二电容元件，第二电容元件沿外壳纵向地与第一电容元件分开，并且被定位为比第一电容元件更接近插入端， 其中，第一和第二电容元件提供用于至少测量其中插入外壳的土壤的水分的电容传感器。7.—种用于插入到土壤中的制备开口中的外壳中的电容土壤水分传感器装置，包括: c)至少一个电容传感器，所述的至少一个电容传感器包含: a.具有最大外径的第一电容元件;和 b.具有比第一电容元件的最大外径小的最大外径的第二电容元件，第二电容元件沿外壳纵向地与第一电容元件分开并且被定位为比第一电容元件更接近插入端;和 d)具有本体的外壳，所述本体具有适于容纳至少一个土壤水分传感器的中空体，所述本体具有头端和插入端，本体的形状为使得插入端的最大外径小于本体的头端的最大外径，其中，本体在被插入到制备开口中时使得外壳的本体的外表面沿外壳的整个长度与制备开口的土壤边接触。8.根据权利要求4、5、6和7的电容土壤水分传感器装置，其中，电容元件具有圆形形状。9.根据权利要求4、5、6、7和8的电容土壤水分传感器装置，其中，电容传感器包含柔性导电材料的传感器元件。10.根据权利要求4、5、6、7、8和9的电容土壤水分传感器装置，其中，外壳的外形与传感器元件的外形一致。11.根据权利要求4、5、6、7、8、9和10的电容土壤水分传感器装置，其中，外壳的本体包含包封多个电容土壤水分传感器装置的材料，使得传感器具有相对于外壳的固定位置。12.根据权利要求4、5、6、7、8、9、10和11的电容土壤水分传感器装置，其中，电容土壤水分传感器装置的外壳的本体包含其中定位两个或更多个电容土壤水分传感器装置的柔性外形，并且，还包含位于柔性外形内的材料，该材料使柔性外形变硬以使得本体可被插入土壤中的制备开口中。13.根据权利要求4、5、6、7、8、9、10、11和12的电容土壤水分传感器装置，其中，外壳的本体包含设置在外壳的本体的外部上的深度基准，以帮助将本体插入到制备开口中的预定深度。14.一种用于在土壤中安装根据权利要求7所述的电容土壤水分传感器装置的方法，土壤具有上表面，步骤包括: a)在土壤中制备开口，该开口具有当创建开口时形成的内壁，其中，开口在土壤表面上具有比土壤表面下面的开口底面附近的最大内径大的最大内径； b)将外壳的本体和安装的电容土壤水分传感器插入到制备开口中，并且沿外壳的完全插入长度将外壳的外壁压在开口的内壁上。15.—种根据任何前面的权利要求所述的电容土壤水分传感器装置的安装方法，其中，制备开口的步骤包括使开口的尺寸为超过外壳的长度。
【专利摘要】本发明的领域是土壤传感器，特别地，是用于在土壤中放置土壤传感器外壳的传感器元件外壳。外壳具有本体，本体适于容纳土壤水分传感器装置，其中，传感器配置于外壳内并且沿着外壳的长度，本体具有头端和插入端，本体的形状为使得插入端的最大外径小于本体的头端的最大外径，并且，本体适于插入到制备开口中，使得本体的外表面沿外壳的整个长度与形成制备开口的土壤一致。外壳包含至少一个电容传感器，其中，传感器的第一电容元件具有最大外径，传感器的第二电容元件具有比第一电容元件的最大外径小的最大外径，并且，第二电容元件沿外壳纵向地与第一电容元件分开并且被定位为比第一电容元件更接近插入端。
【IPC分类】G01N27/22
【公开号】CN105492897
【申请号】CN201480020561
【发明人】皮特·布斯
【申请人】森泰克有限公司
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2014年4月10日
【公告号】EP2984475A1, US20160061762, WO2014165910A1
【技术领域】
[0001]本发明的领域是土壤传感器，特别地，是传感器元件和传感器元件外壳和用于在土壤中放置土壤传感器外壳的方法和设备。
【背景技术】
[0002]在本申请人所拥有的包括US5418466、AU760525、AU20030331464、US7042234 和US7240743的各种公开专利和专利申请中描述了土壤特性测量、特别是土壤水分和盐分的领域，在本说明书中加入它们的全部内容作为参考。
[0003]虽然在上述的专利中公开的装置是可行的，但总是存在使成本最低化并且创建更容易、更节省时间且更简单地可重复的用于在土壤中安装传感器并且测量土壤的水分和盐分的装置的压力。
[0004]在这里公开的发明提供作为在前面提到的申请人的专利和专利申请中公开的装置的改进和/或替代性装置的一个或更多个装置。
【发明内容】
[0005]在本发明的一个方面中，一种用于土壤中的制备开口中的电容土壤水分传感器装置的外壳，该外壳具有:
[0006]本体，所述本体适于容纳土壤水分传感器装置，其中，传感器配置于外壳内并且沿着外壳的长度，所述本体具有头端和插入端，所述本体被整形为使得插入端的最大外径小于所述本体的头端的最大外径，并且，所述本体适于插入到制备开口中，使得所述本体的外表面沿外壳的整个长度与形成制备开口的土壤一致。
[0007]在本发明的另一方面中，一种在具有在前段中描述的外壳的土壤中安装电容土壤水分传感器装置的方法包括以下步骤:
[0008]a)在土壤中制备开口，该开口具有会聚于开口的基底附近的区域的内壁;和
[0009]b)将外壳插入到制备开口中，直到外壳的本体的外表面沿外壳的整个长度与制备开口的土壤边接触。
[0010]在本发明的又一方面中，一种用于土壤中的制备开口中的电容土壤水分传感器装置包括:
[0011]a)外壳，包括头端以及具有内表面和外表面的插入端，插入端用于沿外壳的整个长度插入到制备开口中；
[0012]b)与外壳的内表面相邻的、位于外壳内的具有最大外径的第一电容传感器；
[0013]c)被定位为与外壳的内表面相邻并且具有比第一电容传感器的最大外径小的最大外径的第二电容传感器，第二电容传感器被定位为比第一电容传感器更接近外壳的插入端，
[0014]其中，外壳在使用中处于制备开口内，并且，外壳的外表面与制备开口的边接触，并且第一电容传感器和第二电容传感器被设置为用于至少测量其中插入传感器装置的土壤的水分。
[0015]在本发明的又一方面中，电容传感器基本上是圆的。
[0016]在本发明的又一方面中，电容传感器中的每一个包含导电材料的至少两个传感器元件，这些传感器元件的形状为在使用中具有与其它电容传感器共轴的共用中心轴。
[0017]在本发明的实施例中，电容传感器包含柔性导电材料的至少两个传感器元件。
[0018]在本发明的又一方面中，一种用于外壳中的电容土壤水分传感器，该外壳具有头端和外径比头端小以被插入到土壤中的制备开口中的插入端，该电容土壤水分传感器包含:
[0019]a)具有最大外径的第一电容元件;和
[0020]b)具有比第一电容元件的最大外径小的最大外径的第二电容元件，第二电容元件沿外壳纵向地与第一电容元件分开，并且被定位为比第一电容元件更接近插入端，
[0021]其中，第一和第二电容元件提供用于至少测量其中插入外壳的土壤的水分的电容传感器。
[0022]在本发明的又一方面中，根据前一段的电容土壤水分传感器装置包括:
[0023]a)至少一个电容传感器，所述的至少一个电容传感器包含:
[0024]a.具有最大外径的第一电容元件;和
[0025]b.具有比第一电容元件的最大外径小的最大外径的第二电容元件，第二电容元件沿外壳纵向地与第一电容元件分开并且被定位为比第一电容元件更接近插入端;和
[0026]b)具有本体的外壳，所述本体具有适于容纳至少一个土壤水分传感器的中空体，所述本体具有头端和插入端，本体的形状为使得插入端的最大外径小于本体的头端的最大外径，其中，本体在被插入到制备开口中时使得外壳的本体的外表面沿外壳的整个长度与制备开口的土壤边接触。
[0027]在本发明的又一方面中，电容元件具有圆形形状。
[0028]在又一方面中，本体的外形与传感器元件的外形一致。
[0029]在本发明的一个方面中，外壳的本体包含包封多个电容土壤水分传感器装置的材料，使得传感器具有相对于外壳的固定位置。
[0030]在本发明的又一方面中，电容土壤水分传感器装置的外壳的本体包含其中定位两个或更多个电容土壤水分传感器装置的柔性外形，并且，还包含位于柔性外形内的材料，该材料使柔性外形变硬以使得本体可被插入土壤中的制备开口中。
[0031]在本发明的一个方面中，深度基准被设置在外壳的本体的外部上，以帮助将本体插入到制备开口中的预定深度。
[0032]在本发明的另一方面中，一种用于在具有上表面的土壤中安装根据上一段所述的电容土壤水分传感器装置的方法，步骤包括:
[0033]a)在土壤中制备开口，该开口具有当创建开口时形成的内壁，其中，开口在土壤表面上具有比土壤表面下面的开口底面附近的最大内径大的最大内径；
[0034]b)将外壳的本体和安装的电容土壤水分传感器插入到制备开口中，并且沿外壳的完全插入长度将外壳的外壁压在开口的内壁上。
[0035]在另一方面中，制备开口的尺寸为超过外壳的长度。
[0036]在用于至少在前段中描述的本发明的方法中的本发明的一个方面中，存在用于制备适于电容土壤水分传感器装置的安装方法的开口的螺旋钻，螺旋钻包含螺旋段(spiralflight)，该螺旋段具有比螺旋钻的本体的插入端处的外周大的、螺旋钻的本体的从动端上的外周。
[0037]传感器外壳上的向下力越大，则压力越大，并且，在传感器外壳的外部区域与形成开口的土壤表面之间没有间隙的可能性越大。
[0038]在整个本说明书以及后面的权利要求中，除非上下文另外要求，否则，词语“包括”和“包含”和诸如“含有”和“内含”的变体应被理解为意味着包含陈述的特征或者特征组，但不排除任何其它特征或特征组。
[0039]在本说明书中提到任何【背景技术】或现有技术不是并且不应被视为承认或者以任何形式暗示这种【背景技术】或现有技术构成公知常识的一部分。
[0040]现在参照附图并以附图为示例更详细地描述本发明的特定实施例。这些实施例是解释性的，不意味着限制本发明的范围。可能在本发明的范围内包含其它实施例的暗示和描述，但是它们没有在附图中被例示，或者，替代性地，本发明的特征可能在附图中表示但没有在说明书中描述。
【附图说明】
[0041]图1示出安装于土壤中的土壤水分传感器装置的实施例的剖视图；
[0042]图2示出土壤水分传感器装置的电路的一部分的示意图；
[0043]图3示出位于外壳中的两个土壤水分传感器的剖视侧视图；
[0044]图4示出适于在地面中创建适当的开口来接收外壳的整个长度的螺旋钻的实施例的侧视图；
[0045]图5示出外壳中的两个土壤水分传感器元件的近距离分解侧视透视图；
[0046]图6示出安装于土壤中的土壤水分传感器元件的另一实施例的剖视侧视图；
[0047]图7示出图6所示的土壤水分传感器元件的实施例的剖视透视侧视图。
【具体实施方式】
[0048]对于土壤水分传感器的迅速有效的安装方法的需要是创建本发明的方法和手段的原因之一。
[0049]本发明有数个方面，这些方面广义上包括以下:
[0050].用于电容土壤水分传感器装置的外壳；
[005?].用于在土壤中形成适于电容土壤水分传感器装置的外壳的开口的螺旋钻；
[0052].用于在钻取的过程中使螺旋钻稳定化以帮助创建土壤开口的螺旋钻稳定化基板和螺钉，该土壤开口具有用于沿其整个长度接受传感器外壳的渐缩形状的一致性侧壁；
[0053].用于外壳中的至少两个电容土壤水分传感器的阵列；
[0054].安装于外壳中的电容土壤水分传感器装置；
[0055].用于在土壤中制备开口以用于插入电容土壤水分传感器装置的外壳的方法;和
[0056].在外壳中安装电容土壤水分传感器装置的方法。
[0057]土壤水分以及任选的盐分传感器的工作在前面提到的申请人名义的参考专利申请中被适当地描述，因此信息在这里不被重复，并且出于在参考的专利中给出的所有那些原因，所述工作足以强调对于传感器外壳以及外壳内的电容传感器在使用中 与周围土壤一致的基本需求，这些基本需求可通过外壳和传感器的设计和使用的安装方法来实现。
[0058]本发明的传感器(优选电容传感器)可被用作包括传感器电路的测量网络的一部分，该传感器电路也读取可将传感器数据暂时存储和/或传送到适当的计算机设施、数据记录器或手持设备的多个传感器。
[0059]另外，可通过使用容易产生综合趋势和图形的一体化模型处理传感器的原始数据，这些趋势和图形帮助作物管理人员进行与影响作物生产的灌溉和园艺的管理实际有关的决定。
[0060]在本说明书中，不详细描述将数据收集、存储、传送、校准、处理和显示为关键值、图片、图形、趋势、阈值、表格、预报和推荐以获得用于灌溉调度的容易进行决定的工具的处理。
[0061]图1示出电容土壤水分传感器装置10的实施例，该电容土壤水分传感器装置10原位地(in situ)包含位于外壳16内的用于容纳电容传感器14的阵列的支撑框架12，该外壳16具有开放的顶端和封闭的底端。开放的顶端可通过帽子17被密封，但在实施例中，通过用硬化的可流动材料填充外壳，传感器外壳被密封以防止诸如气态或液态的水分的环境入侵，并且并由此不具有单独的顶部，所有的数据通信是有线的或无线的。外壳下降到具有表面22的土壤20中的制备开口 18中，直到外壳的总长处于土壤内。外壳16的内径的形状使得将电容传感器14放在外壳的内壁的附近并因此使其与周围的土壤紧邻。
[0062]还发现优选地地面中的制备开口被整形为使得外壳与周围的土壤紧密配合，使得放在其中的传感器也接近被监视的土壤。已发现在外壳16的外壁附近存在空气间隙不利地影响从这些间隙附近的传感器进行的测量的精度和可重复性以及绝对值。另外，在发生降雨和灌溉事件时，空气间隙的存在可使得水的流动，并且可能还使得产生在降雨或灌溉事件之中和之后位于传感器外壳以及由此传感器附近的水池，并且，该水的存在不利地影响在降雨事件之前、之中和之后进行的任何测量、特别是土壤水分和盐分测量的精度和相关性。
[0063]任何可察觉的空气间隙会人为降低进口管周围的土壤的密度，并且有时会填充空气。在第一种情况下，空气间隙会使传感器的影响球畸变并且减小任何测量值，特别是被测量的水分和盐分，并且，在第二种情况下，水会畸变并且减小影响球并且当然会不利地影响测量值。
[0064]电容传感器14被示为沿纵向与支撑框架12分开，这些电容传感器14在本实施例中分别处于土壤表面以下10、20、30…厘米(在图1中没有按比例，而是以绘画的方式被示出)。在监视的过程中，电容传感器14保持在它们的位置中。可以设置基准指示器，在一个形式中，它是沿本体的长度位于预定位置处的传感器装置的外壳的本体外部周围的可见(浮雕或凸起形状)线。在另一形式中，外壳的顶部可以是将外壳插入到制备开口中的水平。基准指示器使得电容传感器在当外壳被插入到制备开口中时，当基线与土壤表面一致时的以上指示的土壤中的深度处具有合理精确的位置。应当注意，土壤表面是很容易在现场确定的已知水平，原因是它是作物将通过其长出的土壤的表面，并且，从该表面向下是作物根系。在一个实施例中通过传感器装置测量的土壤水分与作物根系的发展紧密相关。
[0065]电子电路24被示为与电容传感器14相邻，并且被用于转换相邻电容传感器的特性的变化，这些特性的变化的信号在一个实施例中代表在预定的时间间隔上周围土壤20中的水分以及任选的盐分，并且可由此被用于评价随时间的变化。
[0066]优选地，电子电路24在支撑框架12上面近邻其各传感器，但在一个实施例中，框架为电气连接到柔性基板上的导电区域的印刷电路板的形式，该印刷电路板形成电容传感器14的电容元件。相邻性使在传感器与电路之间的任何互连电缆上拾取的伪信号最小化。各电子电路包含电容元件与之交互作用的调谐电路的其它所需部分，并且，该电路也适于提供在一个实施例中代表周围土壤的水分以及可选的盐分和温度的信号，该信号然后通过多绞电缆28或印刷电路，或者在另一实施例中以无线的方式从传感器装置和外壳的外部被传送到数据收集装置26。在图1所示的实施例中，数据收集装置的位置与原位传感器装置10相邻，使得，在可用于这种配置中的电缆上，信号损失和伪信号干涉的影响最小化。但是，这不是理想的配置，原因是使用的物理空间夺去可用的耕地，它中断紧邻处的作物的耕作(tilling)和照顾，并且增加需要照看和维护的另一组设备，由此，在没有明确表示的实施例中，来自传感器阵列的数据的通信是通过无线手段。在实施例中，收集的数据通过使用无线通信装置被传送到传感器外壳的外面。在一个优选的装置中，数据通过使用Bluetooth?被传送到诸如例如智能电话的移动设备，在该智能电话上，应用可用于接收和处理传感器数据。Bluetooth?装置可以但不限于被设置在传感器外壳内。
[0067]从位于数据记录器附近的电池(未示出)提供用于传感器装置和数据收集装置26的电力，这些电池进而通过大量的电源选项、太阳能电气转换器(太阳能面板)30以及在其它的实施例中通过位于外壳附近的电磁无接触充电器被充电。
[0068]帽子32任选地位于外壳16的上开口上，以帮助防止雨水、脏物和昆虫入侵并由此保护传感器装置不受环境损害的影响。
[0069]以上的配置仅是适当的电容土壤水分传感器装置的一个例子。
[0070]图中没有示出的另一配置包括完全环境封装的传感器装置，其中，传感器位于完全密封本体形式内，并且，数据输出使用电缆或无线信号，通过其传送至少代表所收集土壤水分和盐分数据的信号，但其也可包含温度、测试规则数据、定时数据等，而也在密封本体形式内有自含的电源，并且，如果希望的话，有允许诸如例如电池的电源的无线外部充电的接点。
[0071]存在电容传感器可被创建并且被安装于这里描述的形式的本体内的许多形式。在一种形式中，构成电容传感器的阵列的传感器位于外壳内，并且，当外壳被液体(其凝固以不仅将传感器固定于位置而且向外壳提供刚度)填充时，相对于外壳被固定于那里。
[0072]图2示出土壤水分和盐分传感器及其相关的电子传感器特性检测和传送电路的功能框图。各种组合中的电容(34、36)和电感(38、40)元件形成用于振荡电路42的L-C调谐网络。
[0073]在本实施例中，传感器包含上导电环34和下导电环36的形式的电容元件，这些电容元件在使用中以相互纵向隔开的关系被设置以保持恒定的间隙(可以是空气，但可被校准，以在存在任何介入的材料的情况下工作)，并且以图1所示的方式位于土壤(或测量的其它介质)中。
[0074]在实施例中，在被配置为形成导电材料的环的柔性基板上形成环，这里，环具有不同的直径，或者至少多对环具有非常相近的直径，而形成电容传感器的多对环根据它们是否更接近外壳的头端或插入端沿具有更大或更小的直径的外壳的长度纵向分开。
[0075]图2所示的电路的剩余部分在US5，418，466中被详细描述，并且不在这里描述。该电路仅作为例子被使用，并且不是本发明的主题。
[0076]图3示出用于图1所示的土壤中的制备开口中的土壤水分传感器装置的外壳的实施例。
[0077]外壳具有适于容纳土壤水分传感器装置的本体。一个实施例中的适应性使得，预安装于框架或印刷电路板上的电容土壤水分传感器的阵列将通过使得本体适应于具有形状为容纳特定传感器阵列的渐缩内壁形状而配合，并且在一个实施例中在形状上可适应于各电容传感器的附近。
[0078]电容传感器包含两个电容元件，并且，第一个和第二个沿外壳在纵向上分开，第一电容元件与第二电容元件分开，并且，第二个的位置比第一个更接近插入端。
[0079]这些电容传感器中的多个可沿外壳的本体的内部的长度被排列，从头端到插入端沿外壳在纵向上分开，每个单独地与调谐电路相关。
[0080]在实施例中，本体具有放置柔性形式的电容传感器的柔性形式。柔性电容传感器由导电塑料材料形成，该导电塑料材料可折叠或者至少变形，以经由开放的顶部区域被放入外壳中，或者，在另一实施例中穿过柔性形式的本体中的孔径中，并且该导电塑料材料具有一定的回弹力的趋势，这符合柔性本体的优选圆内壁，并且当沿准备好根据需要与其它电容传感器连接的本体的内部长度被适当定位时，允许数据被收集或者数据在本地被处理。
[0081 ]在以本申请人的名义在2014年4月10日提交的澳大利亚临时专利申请200149中描述了电容传感器的特定形式，在这里加入其全部内容作为参考。在示例性形式中，在诸如塑料或聚酰亚胺板的柔性载体上形成电容传感器的阵列，并且，传感器可缠绕成大致圆形截面，该大致圆形截面也呈渐缩，使得一端具有比另一端大的直径。在实施例中，创建电容传感器的片材由具有可容纳于这里描述的形式的外壳内的非平行边的至少一对相对边形成，原因是片材的形状折叠和固定成渐缩形式。单个片材具有提供三个阵列的元件，并且，通过对准片材以具有相符的纵轴、同时还... 沿外壳的长度提供渐缩体的增加的直径，创建这种传感器的阵列。
[0082]提到的圆形截面仅是示例性的，原因是传感器的形状不需要是圆形以执行其感测任务，但优选传感器符合外壳的内壁形状且外壁形状在截面中与内壁形状相同，使得传感器位于外壳被插入的土壤附近。
[0083]在又一形式中，柔性传感器或传感器载体被送到外壳内且位置临近具有大致圆形截面的外壳的内壁。外壳的内部可填充材料，以将传感器和其它的装置固定于外壳内的位置中。填充材料将是非导电性的，并且，可有助于外壳的刚硬性，例如，凝固以提供高的压缩强度和刚度的可流动聚氨酯。
[0084]电容传感器可被配置为邻近外壳的本体的内壁但与其分开，使得可流动材料完全包围传感器元件和传感器的装置，并最终在它们周围凝固以然后相对于外壳固定它们的物理位置并且还保持它们的电磁特性，使得这些特性即使在被传输、存放和安装之后也相同。这是重要的特征，原因是传感器阵列的可重复性和寿命得到大大提高。
[0085]因此，外壳的内部包含传感器的适当定位的阵列，这些阵列同时被配置为与各电容传感器电路连接，并且，这些电路被配置为将它们的各自的信号传送到外壳的外部(最优选通过无线通信)。
[0086]外壳16的本体具有头端50和插入端52，本体被整形为使得插入端的最大外径比本体的头端的最大外径小，在本实施例中，x = 30mm且y = 24mm，并且，外壳的长度z为1200mm，而在图4中，螺旋钻的长度z比图3中的外壳的z长190_。本体的外形的形状便于将插入端插入到土壤中的制备开口 18(图1)中，这一点在于，如图3以绘画的方式示出的那样，在外壳为大致圆形截面的情况下，存在大致圆锥形状。
[0087]但是，如果外壳具有扁平或者甚至正方形或矩形截面，那么外壳仍然可能在适当形状的框架上容纳适当形状的电容土壤水分传感器装置的阵列。这一点也可在于，外壳的本体具有沿其长度的预定部分的这些形状。并且，当框架被插入到外壳内时，外壳的内壁也会适于允许电容元件邻接内壁，并且，进一步地，外壳的本体的外形符合电容传感器的外形，不管它是什么形状，以允许传感器的电容元件接近土壤中的制备开口的内壁并且用于使得本体的外形与形成制备开口的土壤一致，使得传感器接近外壳被插入的土壤。考虑外壳和任何其它间隙，接近可以是没有间隔的邻近，或者，处于电磁可接受的间隔内。这种装置的一个实施例可包括上面放置形成调谐电路的一部分的导电区域的柔性材料片材，其中，片材材料具有当形成为配合于外壳内以在外壳的内壁内以片材为中心时可变形以向着传感器外壳的内壁伸出片材外并且关于片材被定位的接头片。
[0088]在外壳具有从头端50向下到插入端52具有渐缩的圆形截面的实施例中，土壤中的制备开口的形状需要互补，这一点在于，开口也是从土壤表面向下到开口的最下区域具有渐缩的圆形截面。为了创建这种开口，提出使用具有通常在螺旋钻中没有发现的特别的特性的螺旋钻。
[0089]参照图4，适于创建具有上述特性的开口的螺旋钻60在一个实施例中具有螺旋段，如图4所示，该螺旋段具有螺旋钻的本体的从动端处的外周X，该外周X比Z的加长190mm的螺旋钻的本体的插入端处的外周X大。可通过获知插入到土壤中的制备开口中的外壳将具有预定的x、y和z尺寸，确定螺旋钻的尺寸。在以下的尺寸x = 30、y = 24和z = 1200mm的外壳的情况下，螺旋钻尺寸可相同或稍小，诸如，例如，至少在1200mm深度z处，x = 29mm，y = 23mm。
[0090]更有效地，螺旋钻的旋转的驱动是通过能够至少以每分钟550转在各种土壤类型中旋转螺旋钻的约150瓦的电钻。这些要求仅是为了指导，设备的用户将最好地判断功率要求并有效地进行处理的钻取步骤，同时确保安全。
[0091]适当的螺旋钻尺寸可依赖于土壤类型和互补外壳形状和制成材料。在以本申请人的名义在2014年4月10日提交的澳大利亚临时专利申请200149中描述了螺旋钻的特定的形式和制造方法，在本说明书中加入其全部内容作为参考。
[0092]可能必须设置用于稳定化被用于创建地面中的开口时的螺旋钻的装置(未示出)，其中，装置将施加的直接向下的力引导到正在旋转的螺旋钻，并在从地面挖掘土壤的过程中使任何侧向力最小化。装置可包括具有圆筒形状的圈的框架，通过该圈放置螺旋钻，这引导到工作中的螺旋钻的方向，框架以适当的方式锚定于地面。
[0093]根据任何以上描述的电容土壤水分传感器装置(在安装于用于土壤中的制备开口中的外壳时)的安装方法包括制备土壤中的开口的步骤，其中，开口具有当创建开口时形成的内壁，使得开口在土壤表面上具有最大内径，该最大内径比土壤表面下的开口的底部附近的最大内径大，使得外壳的全长基本上处于土壤内，并且，外壳的本体的外表面基本上沿外壳的全长与土壤中的制备开口的内侧壁接触，从而指示外壳被完全插入到制备开口中。完全插入外壳的重要性在于，使得土壤匹配外壳的外形使间隙的可能性最小化，并且最小化或消除通过外壳内的传感器阵列记录的土壤水分和盐分测量的空气和水畸变。最好通过使用上述的螺旋钻实现创建孔径的步骤，但可有用于实现描述的开口的形式的其它手段和方法。
[0094]在用于制备开口的优选装置中，它的尺寸为超过外壳的长度，使得创建的额外的孔空间可接受在螺旋钻土壤提取过程中从螺旋钻落离的土壤，而不连累用于完全插入传感器外壳的开口的想要深度，使得外壳的外壁沿外壳的整个插入长度配合于外壳的内壁，并且，在外壳的外部可见表面上使用插入基线或指示器的深度，或者，外壳的顶部是基准，从而封装于外壳内的传感器的总长处于制备开口内。
[0095]外壳的本体适于插入到制备开口中，使得本体的外表面沿外壳的总长符合形成制备开口的土壤。
[0096]通过使用这里描述的类型的螺旋钻，实现在土壤中制备开口的处理，该开口具有会聚于开口基底附近的区域，该开口适于插入土壤水分传感器外壳。开口的形状由螺旋钻的外形确定，但被配置为使得，形成开口，使得外壳的本体的外表面将沿外壳的总长与制备开口的土壤边接触。开口将一般具有会聚于开口基底附近的区域的内壁。
[0097]关于在本说明书中的参考专利中公开的用于制备土壤水分传感器装置的开口，很显然，与在本说明书中公开的传感器装置和外壳的小于10分钟相比，制备时间和安装时间对于这些类型的传感器外壳来说为30?60分钟，由此，与使用现有的装置、安装设备和安装方法的安装相比，向安装者(一般是作物种植者)提供更大的优点。
[0098]下一安装步骤是通过沿外壳的插入长度或者最优选沿外壳的总长将外壳的外壁压在开口的内壁上将外壳的本体(如上面通过大量的实施例描述)和位于外壳内的传感器或传感器阵列插入到制备开口中。当使用上述的形式的外壳时，该步骤是可能的，其中，夕卜壳的头端具有比外壳的插入端的最大外径大的最大外径。特别地，优选外壳的外壁符合制备开口的内壁。如果外壳的截面形状不是圆形，最大外径测量准则会同样适用，因此，仅作为例子，如果外壳沿外壳的纵向长度具有扁平的截面形状，那么仍在头端和插入端处以及在制备开口的表面和底部处确定最大直径。
[0099]在图5中示出用于外壳内的电容土壤水分传感器元件14的实施例。对于外壳18具有圆形截面且传感器元件34和36由圆形导电环形成的实施例，外壳18被示为具有夸大的外壳内壁会聚。夸大的外壳壁会聚也可能夸大从环中的每一个的顶部向外的壁的发散，但实际上差异非常小，并且，各环的外壁很容易符合外壳的内壁。符合未必意味着接触，而可包含传感器元件均匀地与内壁分开的形式。
[0100]并且，夸大的会聚被用于示出各环的最大外径稍微不同，例示表示图中的上环(更接近外壳的头端)具有比图中的下环(更接近外壳的插入端)稍大的直径，而实际上环可具有非常接近的匹配但仍然不同的直径。环的外径很容易被确定，但具有与环不同的形状的传感器的外径也可通过在使用中从形状的侧视图观看的传感器形状的最宽部分之间测量来确定，使得形状的标称中心与纵向外壳的纵轴共轴。电容传感器的外径是形成电容传感器的两个电容元件中的较大一个(如果存在差异)的直径的最大值。
[0101]图3表示沿外壳的长度成对排列的环形电容传感器的部分透视图。外壳的纵轴没有被示出，但是是一般圆形截面外壳的标称中心轴，该一般圆形截面外壳如上面描述的那样在从头端50处的X距离到插入端52处的y距离的最大外径上呈渐缩。当被安装并且最终关于外壳被固定时，传感器的纵轴一般与外壳的最小中心轴共轴。
[0102]关于示出的实施例中的成形传感器、环的电磁特性，它们最可能基本上相同并且一起工作，以提供电容土壤水分传感器34、36，而不管调谐电路的一部分的直径有任何小的不同。
[0103]如果电容土壤水分传感器具有金属环形式的圆形截面形状以外的形状，诸如扁平或者甚至矩形或正方形，也同样是这种情况，原因是，在使用中，在调谐电路中，这些元件将仍然用于检测传感器的周围影响球 的变化，并且帮助确定相邻土壤中的水分/复杂介电常数和盐分的绝对值。如上所述，各电容传感器元件由可具有柔性的导电材料制成，但被定位为符合外壳的内壁形状，或者定位于壁状结构内，该壁状结构通过进一步的处理变为能够插入到土壤中的制备开口中的传感器外壳。
[0104]在图5中没有示出附加的电容土壤水分传感器元件14，该电容土壤水分传感器元件14由此形成用于调谐电路中并且位于以绘画的方式在图1和图3中表示的外壳内的至少两个电容土壤水分传感器元件的阵列。在实际的装置中，沿外壳的总深度/长度或者深度/长度的一部分，存在纵向分开约10厘米的多对电容土壤水分传感器元件14，或者，根据周围土壤中的作物，存在沿外壳的深度定位的多群电容土壤水分传感器元件14。如在申请人的名义的参考专利中公开的那样，电容土壤水分传感器元件的定位可被用于获得关于作物及其随时间的摄水的有价值的信息。
[0105]图6示出安装于土壤中的土壤水分传感器装置的另一实施例的剖视图，该土壤在这种情况下是草皮环境，该草皮环境与作物环境相比，需要进行测量的深度是浅层土壤。在图6和图7所提供的示图中，外壳的本实施例仍具有上述的特性，但外壳的深度远小于对上述的实施例表示的情况，为约250mm。在本实施例中，在使用中，传感器元件和外壳在水平面中具有圆形截面形状。
[0106]图7示出图6所示的土壤水分传感器装置的实施例的剖视透视图。在图6和图7中，同样，各单个传感器元件34和36被示为纵向分开，以创建在图2中作为这种电路的一个实施例示出的土壤水分确定电路的电容部件。这些图是解释性的，并且，可存在多于一个的位于外壳中的传感器，并且，传感器的尺寸在图中被夸大以确保清楚。
[0107]为了在土壤(草基材料)中创建开口，使用具有稍微会聚侧壁的匙形取土器。该装置的大的优点在于，在将外壳插入到制备开口中时，外壳的会聚外壁趋于很容易地符合开口的会聚内壁，以在传感器元件与周围的土壤之间产生很少或者不产生间隙。
[0108]关于在本说明书中公开的所有实施例，在土壤中创建开口比现有方法更简单，并且，外壳的形状符合制备开口，以使得电容土壤水分传感器元件接近周围的土壤，附加的益处是空气间隙的最小化或者消除，以及由此的外壳与周围土壤之间的水池的最小化或者消除。
[0109]在大地中的制备的渐缩开口中使用渐缩传感器外壳的原因在于，实现确保间隙的消除，原因是，传感器向下移动到互补的整形开口中确保传感器外壳的外表面将针对形成开口的土壤表面在传感器外壳的整个插入长度的总外部区域上施加压力。传感器外壳上的向下力越大，则压力越大，并且，不在传感器外壳的外部区域与形成开口的土壤表面之间存在间隙的可能性越大。
[0110]因此，有理由提供在形状和配置上也符合外壳的内壁的传感器阵列，该传感器阵列还包含对于各对电容元件的更小直径环，当这些环进一步位于细长传感器外壳下面(关于传感器外壳的头端)时。
[0111]本领域技术人员可以理解，本发明在其使用中不限于描述的特定应用。本发明关于这里描述或示出的特定的要素和/或特征也不限于其优选的实施例。应当理解，可在不背离本发明的原理的情况下提出各种修改。因此，本发明应被理解为在其范围内包括所有这种修改。
【主权项】
1.一种用于土壤中的制备开口中的电容土壤水分传感器装置的外壳，该外壳具有: 本体，所述本体适于容纳土壤水分传感器装置，其中，传感器配置于外壳内并且沿着外壳的长度，所述本体具有头端和插入端，所述本体被整形为使得插入端的最大外径小于所述本体的头端的最大外径，并且，所述本体适于插入到制备开口中，使得所述本体的外表面沿外壳的整个长度与形成制备开口的土壤一致。2.—种用于安装适于容纳土壤水分传感器装置的外壳的方法，其中，传感器配置于根据权利要求1所述的外壳内并且沿着该外壳的长度，该方法包括以下步骤: a)在土壤中制备开口，该开口具有会聚于开口的基底附近的区域的内壁;和 b)将外壳插入到制备开口中，直到外壳的本体的外表面沿外壳的整个长度与制备开口的土壤边接触。3.一种用于土壤中的制备开口中的电容土壤水分传感器装置，包括: a)外壳，包括头端以及具有内表面和外表面的插入端，插入端用于沿外壳的整个长度插入到制备开口中； b)与外壳的内表面相邻的、位于外壳内的具有最大外径的第一电容传感器； c)被定位为与外壳的内表面相邻并且具有比第一电容传感器的最大外径小的最大外径的第二电容传感器，第二电容传感器被定位为比第一电容传感器更接近外壳的插入端， 其中，外壳在使用中处于制备开口内，并且，外壳的外表面与制备开口的边接触，并且第一电容传感器和第二电容传感器被设置为用于至少测量其中插入传感器装置的土壤的水分。4.根据权利要求3所述的电容土壤水分传感器装置，其中，各电容传感器基本上是圆的。5.根据权利要求3所述的电容土壤水分传感器装置，其中，各电容传感器包含导电材料的至少两个传感器元件，这些传感器元件的形状为在使用中具有与其它电容传感器共轴的共用中心轴。6.—种用于外壳中的电容土壤水分传感器，该外壳具有头端和外径比头端小以被插入到土壤中的制备开口中的插入端，该电容土壤水分传感器包含: a)具有最大外径的第一电容元件;和 b)具有比第一电容元件的最大外径小的最大外径的第二电容元件，第二电容元件沿外壳纵向地与第一电容元件分开，并且被定位为比第一电容元件更接近插入端， 其中，第一和第二电容元件提供用于至少测量其中插入外壳的土壤的水分的电容传感器。7.—种用于插入到土壤中的制备开口中的外壳中的电容土壤水分传感器装置，包括: c)至少一个电容传感器，所述的至少一个电容传感器包含: a.具有最大外径的第一电容元件;和 b.具有比第一电容元件的最大外径小的最大外径的第二电容元件，第二电容元件沿外壳纵向地与第一电容元件分开并且被定位为比第一电容元件更接近插入端;和 d)具有本体的外壳，所述本体具有适于容纳至少一个土壤水分传感器的中空体，所述本体具有头端和插入端，本体的形状为使得插入端的最大外径小于本体的头端的最大外径，其中，本体在被插入到制备开口中时使得外壳的本体的外表面沿外壳的整个长度与制备开口的土壤边接触。8.根据权利要求4、5、6和7的电容土壤水分传感器装置，其中，电容元件具有圆形形状。9.根据权利要求4、5、6、7和8的电容土壤水分传感器装置，其中，电容传感器包含柔性导电材料的传感器元件。10.根据权利要求4、5、6、7、8和9的电容土壤水分传感器装置，其中，外壳的外形与传感器元件的外形一致。11.根据权利要求4、5、6、7、8、9和10的电容土壤水分传感器装置，其中，外壳的本体包含包封多个电容土壤水分传感器装置的材料，使得传感器具有相对于外壳的固定位置。12.根据权利要求4、5、6、7、8、9、10和11的电容土壤水分传感器装置，其中，电容土壤水分传感器装置的外壳的本体包含其中定位两个或更多个电容土壤水分传感器装置的柔性外形，并且，还包含位于柔性外形内的材料，该材料使柔性外形变硬以使得本体可被插入土壤中的制备开口中。13.根据权利要求4、5、6、7、8、9、10、11和12的电容土壤水分传感器装置，其中，外壳的本体包含设置在外壳的本体的外部上的深度基准，以帮助将本体插入到制备开口中的预定深度。14.一种用于在土壤中安装根据权利要求7所述的电容土壤水分传感器装置的方法，土壤具有上表面，步骤包括: a)在土壤中制备开口，该开口具有当创建开口时形成的内壁，其中，开口在土壤表面上具有比土壤表面下面的开口底面附近的最大内径大的最大内径； b)将外壳的本体和安装的电容土壤水分传感器插入到制备开口中，并且沿外壳的完全插入长度将外壳的外壁压在开口的内壁上。15.—种根据任何前面的权利要求所述的电容土壤水分传感器装置的安装方法，其中，制备开口的步骤包括使开口的尺寸为超过外壳的长度。
【专利摘要】本发明的领域是土壤传感器，特别地，是用于在土壤中放置土壤传感器外壳的传感器元件外壳。外壳具有本体，本体适于容纳土壤水分传感器装置，其中，传感器配置于外壳内并且沿着外壳的长度，本体具有头端和插入端，本体的形状为使得插入端的最大外径小于本体的头端的最大外径，并且，本体适于插入到制备开口中，使得本体的外表面沿外壳的整个长度与形成制备开口的土壤一致。外壳包含至少一个电容传感器，其中，传感器的第一电容元件具有最大外径，传感器的第二电容元件具有比第一电容元件的最大外径小的最大外径，并且，第二电容元件沿外壳纵向地与第一电容元件分开并且被定位为比第一电容元件更接近插入端。
【IPC分类】G01N27/22
【公开号】CN105492897
【申请号】CN201480020561
【发明人】皮特·布斯
【申请人】森泰克有限公司
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2014年4月10日
【公告号】EP2984475A1, US20160061762, WO2014165910A1
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