Удосконалення конструкції чутливого елемента ємнісного датчика вологості ґрунту

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 характеристики 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 і 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 вимірювання (від сухого ґрунту до 100 % вологості). Практична значимість роботи полягає у можливості застосування розробленого чутливого елемента у вдосконалених 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.

This work focuses on improving a capacitive soil moisture sensor to increase measurement accuracy and ensure stable performance under various operating conditions. The research is highly relevant due to the widespread use of such sensors in automatic irrigation systems, agriculture, and soil monitoring, where measurement reliability directly affects resource management efficiency and crop yields. Traditional moisture sensors have drawbacks related to soil heterogeneity. At high moisture levels, this can introduce nonlinearity into the sensor's response due to a non-uniform distribution of the sensing volume, which ultimately reduces measurement accuracy. This paper proposes a design solution based on implementing a symmetrical configuration of the sensing element's electrodes. The proposed symmetrical design significantly reduces the impact of the non-uniform distribution of the sensing volume within the measured medium and increases the sensing volume itself. This enhances the stability of the output signal and minimizes measurement errors caused by environmental changes. Furthermore, the expanded sensing volume increases the overall sensitivity of the soil moisture sensor. During the study, the sensing element design of an existing capacitive soil moisture sensor was analyzed. Computer modeling of the electrostatic field was performed to identify the primary source of error and justify the need for modernization. A new sensing element featuring a symmetrical coplanar capacitor was developed. Subsequent electrostatic field modeling and a comparative analysis between the existing and proposed sensing elements were conducted. Mathematical modeling confirmed that the proposed advanced design generates a symmetrical electrostatic field regardless of the medium. This allowed increasing the absolute sensitivity of the sensor by a factor of 1.65 (by 65.3%) and ensuring a perfectly linear capacitance response. Specifically, the calculated reduced nonlinearity error decreased from 3.2% (for the existing prototype) to 0.0% across the entire measurement range (from completely dry soil to 100% moisture). The practical significance of this work lies in the potential application of the developed sensing element in advanced soil moisture sensors. These sensors can be integrated into automatic soil moisture control systems, including smart irrigation networks and agricultural complexes. The proposed approach can be utilized in the further development of sensor technologies and the creation of more accurate and reliable measuring devices.