УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВНУТРИПОЧВЕННОГО ИЗМЕРЕНИЯ АГРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПАХОТНОГО СЛОЯ ПОЧВЫ В ДВИЖЕНИИ
DEVICE FOR SUBSURFACE MEASURING AGROTECHNOLOGICAL CHARACTERISTICS OF SOIL ARABLE LAYER IN MOTION

Изобретение относится к сельскому хозяйству, а точнее - к технологиям точного земледелия и поддержания продуктивности агроэкосистем, и представляет собой устройство, предназначенное для непрерывного внутрипочвенного измерения агротехнологических характеристик почвы в пахотном слое, таких как влажность, электропроводность, температура, сопротивление горизонтальной пенетрации, оптических отражательных характеристик в видимом и ближнем инфракрасном спектре и других, в процессе движения по полю (on-the-go), при сочленении устройства с трактором или другим средством передвижения. Получаемая с помощью устройства измерительная информация необходима для определения пространственной и временной вариабельности агротехнологических характеристик полей и построения электронных карт полей по измеряемым характеристикам почвы, что служит основой для принятия управленческих решений в технологиях точного земледелия и поддержания продуктивности агроэкосистем. Использование в устройстве приемника системы геопозиционирования (GPS или ГЛОНАСС) дает возможность построения электронных карт полей в реальном времени в процессе движения по полю (то есть в режиме on-line). Периодическое проведение измерений с заданными временными интервалами на обследуемых полях с помощью заявляемого устройства позволяет получать данные о динамике изменения агротехнологических характеристик почвы.
Устройства для внутрипочвенного измерения агротехнологических характеристик пахотного слоя почвы в движении обеспечивают получение измерительной информации от участков почвы, непосредственно прилегающих к чувствительным элементам датчиков устройства, перемещаемым в пахотном слое, что дает преимущества по сравнению с бесконтактными и дистанционными устройствами в точности измерения характеристик по глубине почвы, где расположена корневая система растений, и соответственно, в точности электронного картирования полей по измеряемым характеристикам, увеличивая эффективность технологий точного земледелия и поддержания продуктивности агроэкосистем, использующих эту измерительную информацию.
Известны устройства для гальванического контактного измерения электропроводности (либо удельного электрического сопротивления) пахотного слоя почвы в движении, содержащие буксируемую за трактором, автомобилем или мотоблоком раму с дисковыми электродами, находящимися в контакте с почвой и пассивно вращающимися при движении вокруг осей, перпендикулярных к направлению движения. В устройстве [1. Veris Quard EC1000 - Veris Techologies, Inc. (Канзас, США), http://www.veristech.com] используется колесная рама, на которой вдоль общей оси, перпендикулярной направлению движения, на подпружиненных рычагах установлены четыре электрически изолированных пассивно вращающихся дисковых электрода, находящихся в контакте с почвой. Дисковые электроды подключены к четырехэлектродной схеме измерения проводимости, работающей на частоте 150 Гц, при этом наружные диски служат токовыми электродами, а внутренние - выходными потенциальными, напряжение на которых является мерой проводимости, связанной расчетным соотношением с электропроводностью почвы. Глубина измерения определяется расстояниями между дисковыми электродами. В другой реализации устройства (Veris 3100, [1]) для определения электропроводности на двух уровнях глубины в почве (30 см и 91 см) оно снабжено дополнительной парой потенциальных дисков, разнесенных на большее расстояние (за пределы опорных колес). В аналогичном устройстве [2. Кошелев А.А., Щербаков С.И. Методы и средства измерения удельной электрической проводимости почв и их практическое применение в точном земледелии. - Автоматизация и информационное обеспечение производственных процессов в сельском хозяйстве. Сборник докладов X международной научно-практической конференции (16-17 сентября 2008 г., г.Углич). Часть 2, с.588, рис.4] используется шесть подпружиненных дисковых электродов, пассивно вращающихся вокруг осей, ортогональных направлению движения и равно удаленных друг от друга на расстояние 31 см для измерения электропроводности на двух уровнях глубины.
В также известном устройстве для гальванического контактного измерения электропроводности почвы в движении [3. Geocarta ARP - компания Geocarta (Париж, Франция), http://www.geocarta.net] за мотоблоком буксируется колесная рама, на которой на четырех отдельных разнесенных осях, перпендикулярных направлению движения, установлены четыре пары дисковых (с зубцами) пассивно вращающихся при движении электродов. При этом первой по направлению движения расположена ось с возбуждающими токовыми электродами, за ней установлена ось с потенциальными выходными электродами для измерения электропроводности на глубине 0,5 м. Далее следует ось с электродами для измерения электропроводности на глубине 1 м, и последняя ось с электродами служит для измерения электропроводности на глубине 2 м. Расстояние второй, третьей и четвертой осей от оси с возбуждающими электродами, а также расстояние между электродами на этих осях заданы из расчета получения максимального сигнала от электропроводности почвы на глубинах 0,5 м, 1 м и 2 м. Частота измерительного тока равна 220 Гц.
В Потсдамском университете (Германия) разработано устройство для контактного измерения в движении удельного электрического сопротивления почв Geophilus electricus, содержащее пару катящихся возбуждающих дисковых электродов, установленных с возможностью вращения на поперечной к направлению движения буксирующего средства оси на расстоянии 1 м друг от друга, и пять пар идентичных измерительных электродов, оси которых разнесены на фиксированное расстояние 0,5 м от оси возбуждающих электродов и друг от друга в направлении движения. Geophilus electricus использует четыре измерительных частоты в диапазоне 1 миллигерц - 1 килогерц и способен измерять амплитуду и фазу напряжений на пяти парах измерительных электродов одновременно. Использование пяти пар электродов и четырех измерительных частот дает более детальную информацию о вертикальной структуре почвы и о слоях внутри исследуемого диапазона глубин 0-2 м [4. Е. Lueck, J. Ruehlmann. Resistivity mapping with GEOPHILUS ELECTRICUS - information about lateral and vertical soil heterogeneity. The Second Global Workshop on Proximal Soil Sensing - Montreal 2011. http://bse.unl.edu/adamchuk/gwpss/Papers/GWPSS_2011_Lueck.pdf].
Описанные устройства контактного гальванического измерения электропроводности почв [1-4] используются для картирования пространственной неоднородности структуры почв, определяемой соотношением содержания песка, мелкозема и глины (песок имеет сравнительно низкую электропроводность, мелкозем - среднюю, глина - высокую вследствие возрастания контактной проводимости с уменьшением размера частиц), при этом глубина и ширина канала зондирования определяется разнесением токовых и измерительных электродов и составляет от 0,3 до единиц метров. Достоинством этих устройств является высокая производительность при картировании электропроводности за счет достаточно большого пространственного разнесения измерительных электродов, а также хорошая естественная защита от поломок при наезде на препятствия (камни в почве) благодаря круглой форме пассивно вращающихся дисковых электродов и небольшой глубине погружения в почву нижней кромки дисков при движении устройства по полю. Однако измеряемая этими устройствами электропроводность является интегральным показателем, зависящим как от структуры почв, так и от объемного влагосодержания, количества растворенных элементов минерального питания, кислотности почв. Измерение только одного параметра - электропроводности почвы, без отдельного измерения объемного влагосодержания не позволяет оценить количество растворенных элементов минерального питания, которое является важной агротехнологической характеристикой почв. Кроме того, устройства [1-4] не предназначены для измерения электропроводности почвы на заданной глубине внутри пахотного слоя почвы, что важно для технологий точного земледелия.
<mover accent="true"><mi>ε</mi><mo>˙</mo></mover>
Измерение электропроводности почв в описанных устройствах [1-4] производят на низких частотах измерительного тока, указанных выше, для которых составляющая токов смещения, обусловленная диэлектрической проницаемостью почвы, ничтожно мала по сравнению с токами проводимости, используемыми для измерения электропроводности почв. В то же время известны устройства, работающие на высоких частотах измерительного тока 10-100 МГц, для измерения действительного ε' и мнимого ε'' компонентов комплексной диэлектрической проницаемости
(КДП) почв:
<mrow><mover accent="true"><mi>ε</mi><mo>˙</mo></mover><mo>=</mo><mi>ε</mi><mo>'</mo><mtext>-j</mtext><mi>ε</mi><mtext>'</mtext><mo>'</mo><mtext>,                                                       (1)</mtext></mrow>
<mover accent="true"><mi>ε</mi><mo>˙</mo></mover>
где действительный компонент ε' комплексной диэлектрической проницаемости
характеризует способность вещества обратимо поляризоваться в электрическом поле, а мнимый компонент КДП ε'' (фактор потерь) характеризует необратимые тепловые потери при поляризации и связан с электропроводностью почв σ соотношением:
<mrow><mi>ε</mi><mtext>'</mtext><mo>'</mo><mo>=</mo><mi>σ</mi><mtext>/(</mtext><mi>ω</mi><msub><mi>ε</mi><mtext>0</mtext></msub><mtext>),                                                   (2)</mtext></mrow>
0
ПИП
ПИП
-12
где ω - круговая частота электромагнитного поля, ε=8,854·10 Ф/м - электрическая постоянная. Два компонента ε' и ε'' КДП, а также σ почв определяют по электрической емкости С, проводимости G и частоте тока питания ω емкостного датчика (первичного измерительного преобразователя), введенного в почву, по соотношениям:
<mrow><mi>ε</mi><mo>'</mo><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mi>П</mi><mi>И</mi><mi>П</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>ε</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac><msub><mi>К</mi><mi>П</mi></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mi>ε</mi><mo>'</mo><mo>'</mo><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>G</mi><mrow><mi>П</mi><mi>И</mi><mi>П</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mi>ω</mi><msub><mi>ε</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac><msub><mi>K</mi><mi>П</mi></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mi>σ</mi><mo>=</mo><msub><mi>G</mi><mrow><mi>П</mi><mi>И</mi><mi>П</mi></mrow></msub><msub><mi>К</mi><mi>П</mi></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
П
где K - геометрическая постоянная емкостного датчика.
Проведенные к настоящему времени исследования диэлектрических свойств почв в диапазоне частот от низких до 100 МГц показывают, что на частотах выше 10 МГц можно пренебречь влиянием двойного электрического слоя на контактах измерительных электродов с почвой на результаты измерений, при этом действительный компонент ε' КДП является возрастающей функцией объемного влагосодержания почвы θ (зависящей также от вида почвы), а электропроводность почвы σ близка к значениям, измеряемым четырехэлектродным методом измерения электропроводности на низких частотах, используемым в описанных выше устройствах [1-4]. Таким образом, одновременное измерение компонента ε' КДП и электропроводности σ на одной частоте измерений ω (двухкомпонентная диэлькометрия) позволяет определить как объемное влагосодержание, так и электропроводность почвы с помощью одного емкостного датчика. Важным преимуществом одновременного измерения ε' и σ является возможность вычисления по ним электропроводности почвенной воды, являющейся мерой растворенных в почве элементов минерального питания, доступных корневой системе растений (например, по модели Хилхорста: [5. Hilhorst M.A. A pore water conductivity sensor. Soil Sci. Soc. Am. J., 2000, Vol.64, No.6, p.1922-1925]. Это важно для управления режимом питания растений и внесения удобрений.
ПИП
ПИП
Известно устройство для одновременного измерения объемного влагосодержания, электропроводности и температуры почв на основе двухкомпонентной диэлькометрии, предназначенное для точечных полевых измерений и имеющее емкостной датчик в виде трехштыревого зонда с центральным потенциальным и двумя боковыми корпусными электродами [6. User Manual for the WET Sensor type WET-2. WET-UM-1.4. Delta-T Devices Ltd. http://www.delta-t.co.uk]. Термочувствительный элемент вмонтирован в потенциальный электрод. Устройство содержит автогенератор с фиксированной рабочей частотой 20 МГц, к выходу которого подключен емкостный датчик. Для раздельного измерения действительного компонента КДП ε' (по которому определяют объемное влагосодержание почвы) по емкости датчика C и электропроводности почвы σ по проводимости датчика G устройство построено по принципу векторного вольтметра с фазовым разделением активной и реактивной составляющих импеданса емкостного датчика. Устройство предназначено для точечных полевых измерений влагосодержания почв при маршрутном обследовании полей, при этом глубина измерения варьируется от измерения поверхностного слоя почвы до глубины порядка одного метра при использовании бура для предварительного бурения скважины, в дно которой вводят электроды датчика. Оно может также использоваться для стационарных измерений динамики измеряемых параметров в составе агрометеорологической станции при постоянной установке на заданной глубине в почве. Однако это устройство не предназначено для непрерывного измерения диэлектрических свойств почв в движении.
Известно устройство для измерения объемного влагосодержания почвы в движении с помощью емкостного диэлькометрического датчика, установленного с тыльной стороны вертикального ножа-щелереза на диэлектрической пластине. Нож-щелерез смонтирован на задней навеске трактора и снабжен опорным колесом, задающим глубину погружения датчика в почву при его движении в щели, создаваемой ножом-щелерезом при перемещении трактора по полю. Датчик имеет электроды в виде трех параллельных планарных полос, установленных в вертикальной плоскости и вытянутых вдоль направления движения (центральный электрод - потенциальный, верхний и нижний - корпусные), и включен в автогенераторную схему измерения, частота автоколебаний которой составляет 12,7 МГц для влажной почвы и 18,9 МГц для сухой [6. V.I. Adamchuk, C.R. Hempleman, D.G. Jahraus. On-the-go capacitance sensing of soil water content. An ASABE meeting presentation. Paper number: MC09-201, p.3, fig.1 (2009 ASABE Mid-Central Conference, Ames, Iowa, April 4-5, 2009). 7. В.И. Адамчук. Точное земледелие: какой в этом смысл? Журнал: Питание растений, 2011, №1, с.3, рис.2]. Достоинством устройства является возможность непрерывного контактного измерения влажности почвы на заданной глубине в пахотном слое почвы при движении трактора по полю, недостатком - отсутствие защиты датчика от поломки при наезде ножа-щелереза на камни. Кроме того, в датчике и измерительном устройстве не реализована возможность одновременного измерения влажности и электропроводности почвы емкостным датчиком с использованием принципов двухкомпонентной диэлькометрии, что позволило бы проводить оценку и картировать содержание растворенных элементов минерального питания в пахотном слое почвы.
Для определения температурно-влажностного состояния пахотного слоя почвы на полях, особенно при определении сроков сева, необходимо производить внутрипочвенное измерение температуры в движении. Известен датчик для измерения в движении в реальном времени и картирования параметров почвы (RTSS - real time soil sensor), включающий инфракрасный датчик температуры [8. М. Kodaira, S. Shibusawa, К. Ninomiya. Dozen parameters soil mapping using the real-time soil sensor. - 10-th International Conference on Precision Agriculture. July 18-21, 2010. Denver. Colorado. USA. http://s3.amazonaws.com/zanran_storage/www.icpaonline.org/ContentPages/116510321.pdf]. Датчик RTSS имеет установленный на тракторе пенетратор и снабжен механизмом для установки нижней грани пенетратора и измерения отражательной способности почвы на глубинах от 0,05 до 0,35 м с шагом 0,05 м. При движении трактора наконечник и нижняя горизонтальная грань пенетратора обеспечивают резание почвы и создают за ним канал с плоской выровненной горизонтальной поверхностью, совпадающей с нижней гранью пенетратора. Над этой поверхностью установлены излучатель и приемник для измерения отражательной способности почвы, а также радиационный термометр, использующий ближнюю инфракрасную область спектра. Достоинством инфракрасного термометра является малая инерционность, что важно при измерении в движении, однако его показания существенно зависят от отражательной способности почвы, что приводит к большой погрешности измерения температуры.
Важной агротехнологической характеристикой почв является твердость почвы, которую определяют путем вдавливания в почву деформирующего элемента (пенетратора) с малой постоянной скоростью, измерением силы вдавливания и вычислением отношения силы вдавливания к площади поперечного сечения деформирующего элемента в направлении вдавливания. Это отношение, выражаемое в единицах давления, называется твердостью почвы, или сопротивлением пенетрации, или механическим сопротивлением почвы. Твердость почвы определяет режимы ее обработки сельскохозяйственными орудиями. Высокая твердость почвы угнетает развитие корневой системы растений, снижает фильтрацию и движение питательных веществ в почве, ухудшает воздушный режим почвы. Общепринятым методом измерения твердости почвы является вертикальное вдавливание в почву конусного наконечника с заданным углом при вершине и заданной площадью поперечного сечения, измерение силы вдавливания и вычисление давления при вдавливании. Потребность в непрерывном измерении в движении твердости почвы и построении карт твердости почвы привела к созданию горизонтальных измерителей твердости почвы - горизонтальных пенетрометров.
Известно устройство для непрерывного определения в движении твердости почвы [9. Авт. свид. СССР №397847. Прибор для непрерывного определения твердости почвы, заявл. 30.07.1971, опубл. 17.09.1973, МПК G01N 33/24], содержащее буксируемую за трактором тележку с полозьями и деформирующий элемент (пенетратор), который выполнен в виде конусного наконечника и установлен горизонтально в нижней части тензометрической стойки, закрепленной на раме тележки через жесткий шарнирный четырехзвенный механизм, связанный с винтовой регулировочной тягой, задающей глубину положения конусного деформирующего элемента в почве. В верхней части тензометрической стойки наклеены тензометрические датчики, регистрирующие изгибающий момент, пропорциональный лобовому сопротивлению конусного деформирующего элемента. Перед тензометрической стойкой над деформирующим элементом установлен защитный нож, который режет почвенный пласт и разгружает тензометрическую стойку, в результате чего тензометрические датчики измеряют воздействие почвы только на деформирующий элемент. Недостатком устройства является незащищенность конусного деформирующего элемента при его перегрузке или наезде на камни, что вызывает поломки устройства. Кроме того, измеряемое значение твердости почвы зависит от влагосодержания почвы, которая не измеряется этим устройством.
Недостаток устройства [9], связанный с незащищенностью от поломок деформирующего элемента при перегрузке или наезде на камни, устранен в известном устройстве для непрерывного определения в движении твердости почвы [10. Авт. свид. СССР №1201773. Прибор для непрерывного определения твердости почвы, заявл. 13.07.1984, опубл. 30.12.1985, МПК G01N 33/24]. Как и в предыдущем устройстве, здесь используется тензометрическая стойка с закрепленным в нижней части деформирующим элементом и тензометрическими датчиками в верхней части и защитный нож, установленный перед тензометрической стойкой. Деформирующий элемент выполнен в виде вертикального дополнительного ножа с трапецеидальным сечением в плоскости, поперечной к вертикальной плоскости деформирования, с большим основанием вверху. Защитный нож установлен перед деформирующим элементом с возможностью вертикального перемещения относительно стойки, что позволяет регулировать глубину измеряемого слоя почвы. Деформирующий элемент закреплен на тензометрической стойке при помощи оси и предохранительного штифта, который обеспечивает неподвижность соединения деформирующего элемента со стойкой, а в случае перегрузки или наезда на камень деформирующий элемент отклоняется назад, поворачиваясь относительно оси и срезая штифт, что исключает его поломку. Однако устройство не обеспечивает одновременное измерение влагосодержания почвы, что затрудняет интерпретацию результатов измерения твердости.
Другим устройством для измерения сопротивления горизонтальной пенетрации почвы в движении является динамометрический плоскорез, содержащий раму с опорным колесом и навесную систему для монтажа на мобильном средстве. На раме через шарнир закреплена вертикальная стойка, в нижней части которой установлен рабочий орган - лапа плоскореза, а между верхним концом стойки и рамой закреплен измеритель усилия, действующего со стороны почвы на рабочий орган - лапу плоскореза. Устройство предназначено для определения толщины гумусного слоя почвенного покрова по значению сопротивления пенетрации [11. Патент РФ №2143112. Способ определения толщины гумусного слоя почвенного покрова. МПК: G01N 33/24, A01B 79/00, заявл. 29.04.1998, опубл. 20.12.1999]. При движении плоскореза по полю с постоянной скоростью на постоянной глубине усилие на рабочий орган имеет большее значение для участков с меньшей толщиной гумусного слоя вследствие более плотного сложения почвы на этих участках (большей объемной массы). Достоинством устройства является самозаглубление плоскореза при движении по полю, что упрощает конструкцию устройства, недостатками - отсутствие защиты от поломок при наезде на препятствия и отсутствие одновременного измерения влагосодержания почвы.
Известен зонд для измерения вертикального профиля сопротивления горизонтальной пенетрации в движении с несколькими призматическими чувствительными элементами (пенетраторами), расположенными по вертикали на несущей консоли [12. Chung, S.O., Sudduth, K.A., Hummel, J.W. Design and validation of an on-the-go soil strength profile sensor. Transactions of the ASABE (American Society of Agricultural and Biological Engineering), 2006, Vol.49 (1), p.5-14]. Каждый из чувствительных элементов снабжен тензометрическим датчиком силы, что позволяет измерять вертикальный профиль сопротивления горизонтальной пенетрации в движении.
Для измерения профиля сопротивления горизонтальной пенетрации в движении используется также устройство с тремя режущими лезвиями разной длины, установленными друг за другом в направлении движения, при этом каждое лезвие снабжено тензометрическим датчиком силы. Верхнее лезвие измеряет механическое сопротивление почвы в пределах горизонтального слоя, разрезаемого этим лезвием; установленное за ним среднее лезвие измеряет сопротивление слоя почвы, разрезаемого концом среднего лезвия, выступающим ниже первого лезвия; последнее по направлению движения лезвие измеряет сопротивление почвы, разрезаемой концом третьего лезвия, выступающим ниже среднего лезвия [13. V.I. Adamchuk. On-the-go proximal soil sensing for agriculture, p.4. AGRI-SENING 2011 (Haifa, Israel, February 21, 2011), http://bse.unl.edu/adamchuk/presentations/Agri-Sensing_2011.pdf].
2
2
2
В статье [14. A. Sharifi, A. Mohsenimanesh. Soil mechanical resistance measurement by an unique multi-cone tips horizontal sensor. International Agrophysics, 2012, 26, 61-64] рассмотрен датчик для измерения сопротивления горизонтальной пенетрации в движении с пятью конусными пенетраторами, установленными на разных уровнях глубины, с тыльной стороны которого размещены преобразователи действующей на пенетраторы силы в электрический сигнал. Особенностью датчика является установка конусных пенетраторов на вертикальном ноже с использованием стержней, длина которых максимальна для верхнего пенетратора и последовательно убывает к нижнему пенетратору. Такое решение позволяет вынести пенетраторы вперед за область перед ножом-щелерезом, в которой этот нож разрушает структуру почвы (производит рыхление и осыпание почвы из верхних слоев в нижние), что повышает точность измерения сопротивления горизонтальной пенетрации. Лабораторные испытания на почвенном канале с почвой, имеющей заданную плотность и влажность, показали, что такая конструкция датчика позволяет повысить коэффициент корреляции R между результатами измерения сопротивления вертикальной пенетрации обычным конусным вертикальным пенетрометром и сопротивления горизонтальной пенетрации до R=0,86 на глубинах в почве 0-400 мм. Обычные конструкции горизонтальных пенетрометров для измерений в движении дают коэффициент корреляции R=0,51 [15. Sun, Y., Ma, D., Lammers, P., Schmittmann, O., Rose, M. On-the-go measurement of soil water content and mechanical resistance by a combined horizontal penetrometer. Soil and Tillage Research, 2006, 86, p.209-217], или R=0,76 [16. Chukwu E., at all. Instantaneous multi-depth soil mechanical impedance sensing from a moving vehicle. Trans. ASAE, 2005, 48(3), 885-894]. Однако рассмотренная конструкция не имеет защиты от поломок при наезде на камни и не измеряет влагосодержание почвы, от которой зависит сопротивление горизонтальной пенетрации.
Известно также устройство для измерения сопротивления горизонтальной пенетрации почвы в движении, содержащее размещенный на раме движущегося носителя вертикальный нож с ориентированным в направлении движения лезвием, в нижней части которого установлен чувствительный элемент (пенетратор) датчика механического импеданса, обращенный в направлении движения, с тыльной стороны которого вмонтирован преобразователь давления почвы в электрический сигнал [17. Патент США US 6647799, Nov. 18, 2003]. Устройство снабжено механизмом вертикального возвратно-поступательного колебательного движения датчика с несущим ножом, которое производится одновременно с горизонтальным перемещением устройства по полю, что упрощает выявление уплотненных слоев почвы при обследовании сельскохозяйственных полей.
Устройства [12-17] не имеют защиты от поломок при наезде на препятствия и не обеспечивают измерение влагосодержания почвы одновременно с сопротивлением горизонтальной пенетрации.
Известно устройство для непрерывного измерения в движении сопротивления горизонтальной пенетрации и определения объемной плотности и уплотнения пахотного слоя почвы, монтируемое на раме сзади трактора и содержащее рабочий орган - плоскорез, а также установленный над почвой радар - измеритель влажности, опорные колеса с датчиком глубины движения в почве плоскореза и измеритель усилия резания почвы на заданной глубине [18. Abdul Mounem Mouazen, Herman Ramon and Josse de Baerdemaeber. Modelling compaction from on-line measurement of soil properties and sensor draught. Pecision Agriculture, 2003, 4(2): 203-212]. Разработана численно-статистическая гибридная модель для расчета сухой объемной плотности по измеренным в реальном времени влагосодержании, глубине обработки и показаниям измерителя усилия резания почвы плоскорезом. Для непрерывного картирования в движении (режим on-line) значений определяемой сухой объемной плотности почвы и выявления ее уплотнения при превышении допустимого значения плотности используется система глобального позиционирования (GPS). Контроль значений сухой объемной плотности почвы и выявление зон с уплотненной почвой позволяет проводить агротехнологические мероприятия по разуплотнению почвы, так как уплотнение почвы снижает урожайность сельскохозяйственных культур вследствие ухудшения водного и воздушного режимов растений. К недостаткам устройства следует отнести: отсутствие защиты рабочего органа от повреждения при наезде на препятствия; бесконтактное измерение влажности с помощью радара, дающее осредненное значение влажности по глубине зондирования радара вместо значения влажности, на глубине движения рабочего органа, что снижает точность вычисления сухой объемной плотности; использование плоскореза в качестве рабочего органа горизонтального пенетрометра, что затрудняет проведение измерений в междурядьях выращиваемых растений.
К аналогам заявляемого устройства для контактного измерения агротехнологических характеристик пахотного слоя почвы в движении относится также другое устройство для одновременного измерения сопротивления горизонтальной пенетрации и влажности в процессе движения по полю (см. [15] выше). Устройство содержит горизонтальный конусный пенетрационный стержень, жестко установленный на нижнем конце силового рычага, шарнирно закрепленного в верхней части на несущей раме. Ниже точки шарнирного крепления рычага на раме к рычагу шарнирно присоединен расположенный горизонтально датчик силы, второй конец которого закреплен на опоре, установленной на несущей раме. Перед силовым рычагом на раме установлено вертикальное лезвие, исключающее силовое действие почвы непосредственно на рычаг при движении в почве и обеспечивающее измерение только силы, действующей на конус пенетрометра на глубине измерения. Кроме того, лезвие защищает силовой рычаг пенетрометра от поломки при столкновения с камнями. За конусом на пенетрационном стержне через изоляторы установлены два кольцевых электрода, образующих емкостной датчик, подключенный к диэлькометрическому устройству для определения влажности по электрической емкости датчика. Это устройство, смонтированное на мобильном средстве, использовано для непрерывного измерения в движении на глубинах до 20 см. Недостатками устройства являются: непредназначенность для измерения более двух агротехнологических параметров почвы; отсутствие узлов, обеспечивающих заданную фиксированную глубину расположения чувствительных элементов датчиков от поверхности почвы; отсутствие защиты пенетрационного конусного стержня с емкостным датчиком от повреждения при наезде на камни.
Дальнейшим развитием устройства [15] является горизонтальный пенетрометр с комбинированным трехпараметрическим датчиком для измерения в движении содержания влаги, электропроводности и механического сопротивления почвы [19. Q. Zeng, Y. Sun, P.S. Lammers. A triple-sensor horizontal penetrometer for on-the-go measuring soil moisture content, electrical conductivity and mechanical resistance. Abstract CSBE 101339. XVII-th World Congress of the International Commission of Agricultural and Biosystems Engineering (CIGR) - Quebec City, Canada, June 13-17, 2010], [20. Q. Zeng, Y. Sun, P.S. Lammers at al. Improvement of a dual-sensor horizontal penetrometer by incorporating an EC sensor. Computers and Electronics in Agriculture, 2008, Volume 64, Issue 64 (2), p.333-337]. Датчик электропроводности в виде набора четырех кольцевых электродов с равными промежутками вмонтирован в конусный наконечник горизонтального пенетрометра помимо емкостного датчика влажности с двумя цилиндрическими электродами, установленными через изоляторы на несущем стержне вблизи конусного наконечника. Измерение электропроводности в зоне пенетрации дает дополнительную информацию о структуре почвы, однако недостатком устройства является отсутствие защиты от поломок при наезде на препятствия.
Помимо изложенных выше устройств известно применение видимой - ближней инфракрасной отражательной спектроскопии для исследования физических и химических характеристик почв как в лабораторных, так и в полевых условиях, в том числе подповерхностного обследования в движении для картирования свойств почв.
2
Известен датчик для измерения в движении органического вещества почвы в реальном времени, установленный на устройстве, сопряженном со средством передвижения, и содержащий корпус, внутри которого находятся источник света и светочувствительный элемент [21. Патент США US 5044756, Sep.3, 1991. Real-time soil organic matter sensor. МПК: G01N 21/49; G01N 21/84; G01N 33/24]. Светочувствительный элемент воспринимает свет, отраженный от освещенной почвы, и создает выходной сигнал, который зависит от содержания органического вещества в освещенной почве. Корпус датчика установлен на устройстве так, что при движении датчика в почве освещенный участок почвы, отраженный свет от которого воспринимается светочувствительным элементом, расположен ниже поверхности окружающей почвы и корпус экранирует освещаемый участок почвы от внешнего света. Корпус датчика имеет башмакообразную форму с заостренной носовой частью для разрезания почвы при движении и плоское дно для создания в почве канала с гладкой горизонтальной поверхностью. Дно корпуса имеет вырез, против него в корпусе расположена ниша, в которой перпендикулярно поверхности почвы установлен светочувствительный элемент (фотодиод) и окружающие его источники света (светоизлучающие диоды). Светочувствительный элемент и светоизлучающие диоды установлены на общем основании на расстоянии 1 дюйм от поверхности почвы, закрыты светопрозрачной пластиной и создают на поверхности почвы освещенный участок площадью около 70 мм. Для уменьшения влияния шероховатости почвы на коэффициент отражения почвы в передней части выреза в подошве корпуса вмонтирован дуговидный фланец, контактирующий с почвой выпуклой поверхностью. В качестве источников света применены красные светоизлучающие диоды, излучающие свет с длиной волны, на которой меньше проявляется влияние окиси железа на отражательные свойства почвы. Недостатками датчика являются отсутствие защиты от повреждения при наезде на препятствия, защиты от забивания почвой ниши с источниками и приемником света, отсутствие средств измерения влагосодержания почвы, от которых существенно зависят характеристики отражения почвы.
В материалах Международной конференции [22. V.I. Adamchuk. On-the-Go Proximal Soil Sensing for Agriculture, p.3 - (средние слайды в левой и правой колонках). AGRISENING 2011 (Haifa, Israel, February 21, 2011), http://bse.unl.edu/adamchuk/presentations/Agri-Sensing_2011.pdf] представлен датчик, выполненный в виде полого башмака с горизонтальной подошвой, установленного на вертикальной стойке и горизонтально перемещаемого в пахотном слое почвы. Подошва снабжена сапфировым окном, против которого в башмаке установлен приемник излучения - фотодиод - и шесть окружающих его излучателей - светодиодов - с длиной волны излучаемого света 660 нм. Измеряемый фотодиодом отраженный от почвы оптический сигнал с этой длиной волны зависит от содержания органического вещества в почве. Развитием этого устройства является гиперспектральный спектрофотометр отраженного видимого - ближнего инфракрасного света (там же, [22]). В нем использованы волоконно-оптические кабели для подведения к сапфировому окну в подошве башмака света от источника излучения и для подведения отраженного от почвы света к спектрофотометру, вынесенному на несущую раму трактора. Сапфировое окно обеспечивает прозрачность в диапазоне длин волн спектрофотометра от видимого до ближнего инфракрасного света 400-1700 нм и является устойчивым к шлифующему действию почвы. Глубина движения башмака в пахотном слое почвы задается опорным колесом, установленным на несущей раме. Недостатками обоих устройств [22] является расположение оптического окна в подошве измерительного башмака, что вызывает нестабильность результатов измерений вследствие возникновения зазора между подошвой и почвой при вертикальных флуктуациях положения башмака за счет неровностей поверхности почвы под опорным колесом, а также отсутствие измерения физических параметров почвы, которые необходимы для принятия агротехнологических решений.
Известен также оптический датчик для измерения в движении в реальном времени отражательных характеристик почвы [23. Патентная заявка США US 2011/0102798 Optical real time soil sensor. Дата публикации 5 мая 2011 г., МПК G01N 21/55], выполненный в виде вертикальной плоской коробки, установленной вдоль направления движения и перемещаемой в пахотном слое с помощью стойки-ножа, закрепленной в задней части буксируемой за трактором колесной рамы. Боковая стенка корпуса-коробки снабжена сапфировым окном, против которого внутри коробки установлен источник освещения почвы и приемник отраженного света от почвы. Источниками освещения почвы служат один или несколько монохроматических или полихроматических светодиодов, или лазерных диодов, в качестве приемников отраженного от почвы света - фотодетекторы. Большое разнообразие светоизлучающих диодов позволяет проводить исследования отражательных характеристик почв от ультрафиолетового диапазона (включая участок от 350 до 370 нм, в котором возбуждается флюоресценция в почве) до видимого и ближнего инфракрасного диапазонов оптического спектра (400-1550 нм). Возможно также формирование спектрального диапазона с помощью светофильтров, устанавливаемых перед фотодетекторами. Датчик предназначен для диагностирования органического вещества почвы и построения карт для управления внесением гербицидов, удобрений и посевом семян. Достоинством датчика является расположение оптического окна на боковой стенке корпуса датчика, что исключает появление случайного зазора между окном и почвой при вертикальных флюктуациях положения датчика в почве вследствие неровности поверхности почвы под опорными колесами. К недостаткам относится отсутствие измерения физических параметров почвы, прежде всего влагосодержания и плотности, от значения которых зависят нормы внесения гербицидов, удобрений и высева семян.
Другое известное устройство для обследования оптических характеристик подповерхностной почвы в движении для точного земледелия описано в [24. Патент США US 6608672, Aug.19, 2003, Soil survey device and system for precision agriculture. МПК G01N 21/00]. Устройство снабжено основным узлом в форме плуга, передняя часть которого поднимает вверх почву; рамой, которая поддерживает датчик и соединяет трактор и основной узел; спектрофотометром, который установлен на раме; следящим колесом, которое отслеживает глубину колеи и соединено с основным узлом рычагом; и блоком управления обследованием, включая приемник GPS, установленный на тракторе. Измерение оптических характеристик осуществляется с помощью обзорной камеры на выбранной глубине под землей путем обследования спектра отраженного света в камере непрерывно в реальном времени. Основной узел имеет две части: переднюю роющую часть и заднюю измерительную часть. Передняя роющая часть поднимает почву при движении трактора и создает плоскую поверхность, параллельную поверхности почвы, так что измерительная часть легко обследует открытую поверхность почвы. Измерительная часть состоит из измерительной камеры, в которой экспонируется поверхность почвы, являющаяся объектом обследования, и корпуса, в котором размещен комплект датчиков. В этом корпусе расположены: два разнесенных по краям волоконных световода для освещения почвы, цифровая камера для получения изображений поверхности почвы, оптические световоды отраженного видимого света и отраженного ближнего инфракрасного света, приемный световод инфракрасного термометра. Глубина положения обзорной поверхности почвы задается опусканием или поднятием колес на опорной раме и может находиться на глубине 15-35 см ниже поверхности почвы; контроль положения осуществляется следящим колесом с датчиком угла положения рычага.
Дальнейшим развитием этого устройства является устройство для обследования характеристик почв [25. Патент США US 6853937, Feb.8, 2005. Soil characteristics survey device and soil characteristics survey method. МПК G01V 5/00], которое дополнено датчиком сопротивления горизонтальной пенетрации, установленным между носовым чизельным элементом передней роющей части основного узла и корпусом измерительной части основного узла. Датчик снабжен нагрузочной ячейкой, преобразующий в электрический сигнал силу давления почвы на чизельный элемент. Ячейка прижата многоэлементной дисковой пружиной к задней торцевой части чизельного элемента, который подвижно закреплен в передней части измерительного блока с возможностью смещения под действием давления почвы при движении. Другим дополнением является измерительный электрод, установленный через изолятор заподлицо с верхней роющей поверхностью металлического чизельного элемента и образующий с ним электродную пару, которая используется для измерения электропроводности и диэлектрической проницаемости почвы, находящейся в контакте с чизельным элементом.
Еще одним аналогом по назначению и технической сущности к заявляемому устройству является работающий в реальном времени датчик (RTSS - real time soil sensor) для оценки в движении и картирования параметров почвы (см. [8] вверху). Датчик смонтирован на задней раме трактора, имеющей опорные колеса и снабженной механизмом заглубления и извлечения из почвы датчика. Датчик имеет выступающий вперед по направлению движения пенетратор почвы, выполненный в виде треугольной пирамиды, одна из боковых граней которой установлена горизонтально, а две другие одинаковы и образуют ребро, лежащее в вертикальной продольной плоскости симметрии устройства. Пенетратор задней частью соединен с вертикальной стойкой, служащей для его крепления на задней раме трактора. Стойка в лобовой части снабжена лезвием, а продолжением ее задней части являются две боковые вертикальные стенки, нижние кромки которых являются продолжением горизонтальной грани пенетратора. В нише между боковыми стенками на заданном расстоянии (72 мм) от плоскости, совпадающей с нижней гранью пенетратора, размещены концы волоконно-оптических кабелей источника облучения почвы и двух приемников спектрофотометра, а также оптического кабеля инфракрасного термометра. На том же расстоянии в нише установлена приемная матрица цифровой видеокамеры, служащей для периодического фотографирования в видимом участке спектра поверхности почвы на дне канала, формируемого нижней гранью пенетратора, а также лазерный маркер, измеряющий расстояние до поверхности почвы. Ниша не имеет защитного разделительного светопрозрачного экрана с поверхностью почвы, однако фотокамера позволяет контролировать состояние поверхности почвы на дне канала, создаваемого пенетратором, а лазерный маркер позволяет контролировать отсутствие комков почвы и случайных предметов на этой поверхности. Для освещения поверхности почвы используется 150-ваттная галогенная лампа. Спектрофотометр (Carl Zeiss Co., Ltd) имеет видимый канал со спектром от 310 до 1100 нм и ближний инфракрасный канал со спектром от 950 до 1700 нм. Разрешение спектрофотометра составляет 5 нм. Цифровая камера с приемной матрицей (прибор с зарядовой связью) настроена на мониторинг пятна на поверхности почвы, находящегося на фокусном расстоянии 75 мм. Радиационный термометр использует ближнюю инфракрасную область спектра. В пенетратор вмонтирован электрод для измерения электропроводности почвы. В стойке пенетратора размещен тензометрический преобразователь механического сопротивления почвы. Выходы оптических кабелей, галогенная лампа, измерительные блоки каналов спектрофотометра, инфракрасного термометра, видеокамеры, каналов измерения электропроводности и сопротивления горизонтальной пенетрации установлены в общем корпусе на задней подвеске трактора. Там же размещен управляющий и регистрирующий компьютер, приемник дифференциальной системы глобального позиционирования DGPS.
Датчик RTSS снабжен механизмом для установки нижней грани пенетратора и измерения отражательной способности почвы на глубинах от 0,05 до 0,35 м с шагом 0,05 м. При движении трактора наконечник и нижняя горизонтальная грань пенетратора обеспечивают резание почвы и создают за ним канал с плоской выровненной горизонтальной поверхностью, совпадающей с нижней гранью пенетратора. Измерения проводятся при скорости движения 0,2-0,6 м/с.
На основе результатов полевых спектрофотометрических измерений в движении и лабораторного анализа образцов почвы, взятых на трассах и глубинах этих измерений, разработаны регрессионные калибровочные модели для 12 почвенных параметров: pH, содержание влаги (термостатно-весовое), содержание органического вещества, общий углерод, аммонийный азот, нитратный азот, общий азот, растворенный азот, доступный фосфор, коэффициент поглощенного фосфора, коэффициент абсорбции фосфора и емкость катионного обмена.
Несмотря на высокие аналитические возможности датчика RTSS к его недостаткам относятся: отсутствие защиты датчиков (электрода электропроводности) от повреждений при наезде на препятствия; отсутствие защиты ниши с оптоволоконными кабелями от забивания почвой при измерениях в движении.
Наиболее близким по назначению и технической сущности к заявляемому устройству (прототипом) является мобильная система почвенного картирования по данным измерений отражательной способности почвы в пахотном слое [26. Патентная заявка США US 2009/0112475, Apr. 30, 2009. Mobile soil mapping system for collecting soil reflectance measurements. МПК G01V 3/38]. Система содержит буксируемую за средством передвижения раму с опорными колесами, на которой установлена несущая продольная стойка-щелерез с режущим зубом в нижней части. Сзади стойки на установленных с возможностью углового перемещения параллельных плоских звеньях смонтирован блок измерения отражательной способности почв. Звенья имеют одинаковую длину и размещены одно над другим с боковых сторон стойки и блока, образуя с ними параллелограммы, что обеспечивает продольное (т.е. в направлении движения) положение измерительного блока. Кроме того, эти звенья подпружинены так, что обеспечивают плотное прижатие плоского дна измерительного блока к дну желоба в почве, создаваемого стойкой-щелерезом с режущим зубом. Перед стойкой-щелерезом установлено колесо с режущим ободом для резки остатков растительности и создания узкой щели в почве. Рабочая глубина в почве стойки-щелереза с измерительным блоком регулируется с помощью набора отверстий в стойке, с помощью которых ступенчато устанавливается вертикальное расстояние стойки-щелереза с измерительным блоком относительно рамы. Кроме этого, для установки рабочей глубины стойки-щелереза, а также для его извлечения из почвы при движении в транспортном положении опорные колеса рамы выполнены с возможностью вертикального подъема или опускания рамы относительно почвы. В верхней части стойки-щелереза смонтирован защитный узел, который обеспечивает защиту стойки-щелереза и измерительного блока от поломок при наезде на камни и другие препятствия. С целью защиты стойка подвижно установлена на раме с помощью поперечного вала и связана тягой с концом плоской пружины, начало которой жестко закреплено на раме. Защитный механизм имеет геометрию, при которой пружина обеспечивает удержание стойки в рабочем положении с силой, превышение которой при наезде на препятствия переводит пружину во второе устойчивое состояние, при этом стойка поворачивается вокруг оси вала и отклоняется назад, выходя из почвы. Измерительный блок выполнен полым и вытянутым в направлении движения. В измерительном блоке размещены датчик внутрипочвенной отражательной спектроскопии в ближней инфракрасной области спектра и инфракрасный датчик температуры. Для первого датчика в нижней горизонтальной части блока выполнено круглое сапфировое окно, служащее для измерения диффузного оптического отражения от почвы. Внутри измерительного блока против этого окна установлен источник освещения почвы - вольфрамовая галогенная лампа, а отраженный свет (в ближней инфракрасной области) воспринимается оптическим приемником, установленным под острым углом к оси источника освещения и выполненным в виде оптических линз, направляющих отраженный свет в волоконно-оптический кабель, связанный со спектрофотометром ближнего инфракрасного излучения. Плотное прижатие дна измерительного блока с сапфировым окном к почве с помощью подпружиненных звеньев обеспечивает самоочищение оптического окна от пыли и грязи при движении, а использование сапфира повышает устойчивость к истиранию и царапинам. Задняя часть измерительного блока выполнена открытой к почве и имеет нишу, в которой установлен второй датчик - инфракрасный термометр, обращенный чувствительным элементом к почве. Этот термометр используется для учета зависимости отражательных характеристик почвы от температуры. На раме установлен спектрофотометр, компьютер и приемник системы геопозиционирования GPS. Мобильная система предназначена для определения по спектральным характеристикам отражения в ближней инфракрасной области спектра содержания в почве соединений, включающих функциональные группы C-H, N-H и O-H, что позволяет количественно определять формы углерода, азота и воды. Кроме того, спектры диффузно отраженного света в ближней инфракрасной области корреляционно связаны с другими свойствами почв, такими как кислотность (pH), содержание кальция и магния.
Достоинствами системы являются возможность измерения агрохимических характеристик почвы в движении на основе внутрипочвенной отражательной ближней инфракрасной спектроскопии с возможностью установки различных глубин измерения в пахотном слое, наличие узла защиты измерительного блока от поломки при наезде на камни и другие препятствия, обеспечение плотного контакта датчика оптического отражения с почвой. Недостатком системы является отсутствие датчиков измерения агрофизических характеристик почвы, что не позволяет оценить общее состояние почвы и определить взаимозависимость физических и химических характеристик почв, что необходимо для реализации многих технологий точного земледелия и решения исследовательских задач. Целесообразность измерения физических характеристик почв (электропроводности, диэлектрической проницаемости, температуры) отмечается в заявке на изобретение US 2009/0112475, однако технические решения, реализующие такие измерения, в заявке не описаны.
Общими признаками заявляемого устройства с прототипом являются: несущая рама, соединенная со средством перемещения по полю; опорный элемент, установленный на раме и определяющий ее положение над почвой; размещенный на раме нож-щелерез, создающий при движении продольный щелевой канал в почве; измерительный блок с измерительными датчиками, выполненный вытянутым вдоль направления движения, одинаковой толщины с ножом-щелерезом и установленный за ним в направлении движения узел ступенчатой регулировки глубины положения измерительного блока в продольном щелевом канале при движении по полю; узел защиты измерительного блока от повреждения при наезде ножа-щелереза на препятствия; блок управления измерениями, сбора и преобразования измерительной информации, бортовой компьютер и приемник системы геопозиционирования для регистрации измерительной информации и картирования.
Изобретение решает задачу создания мобильного устройства для одновременного внутрипочвенного измерения в движении и картирования комплекса агротехнологических характеристик пахотного слоя почвы, включающего агрофизические и агрохимические характеристики, что позволит расширить номенклатуру получаемой информации о пространственно-временной неоднородности характеристик почв и повысить на ее основе эффективность управления технологиями точного земледелия.
Сущность заявляемого изобретения во всех формах его выполнения выражается в следующей совокупности существенных признаков.
Устройство для внутрипочвенного измерения агротехнологических характеристик пахотного слоя почвы в движении, содержащее несущую раму, соединенную со средством передвижения по полю, опорный элемент, установленный на раме и определяющий ее положение над почвой, размещенный на раме нож-щелерез, создающий при движении продольный щелевой канал в почве, измерительный блок с измерительными датчиками, выполненный вытянутым вдоль направления движения, одинаковой толщины с ножом-щелерезом и установленный за ним в направлении движения, узел ступенчатой регулировки глубины положения измерительного блока в продольном щелевом канале при движении по полю, узел защиты измерительного блока от повреждения при наезде ножа-щелереза на препятствия, блок управления измерениями, сбора и преобразования измерительной информации, бортовой компьютер и приемник системы геопозиционирования для регистрации измерительной информации и картирования, отличающееся от прототипа тем, что корпус измерительного блока выполнен в виде монолитной металлической пластины с заостренной и скошенной сверху вниз-назад лобовой передней кромкой и жестко соединен с несущей рамой передней и задней стойками, при этом датчики врезаны в измерительный блок и размещены на его боковых стенках вдоль общей прямой линии с одинаковой глубиной расположения чувствительных (воспринимающих) элементов датчиков от поверхности почвы, опорный элемент выполнен в виде размещенной над измерительным блоком опорной лыжи, шарнирно соединенной с установленной на несущей раме стойкой, причем эта стойка закреплена на несущей раме с возможностью ступенчатого изменения задаваемого расстояния между подошвой опорной лыжи и прямой горизонтальной линией с одинаковой глубиной расположения чувствительных элементов датчиков в измерительном блоке от поверхности почвы, вышеуказанный нож-щелерез, установленный на раме перед измерительным блоком, имеет осевое соединение с рамой, обеспечивающее образование общей вертикальной продольной плоскости симметрии с измерительным блоком, и выполненное с возможностью регулирования углового положения ножа-щелереза в этой плоскости, при этом нож с режущей кромкой имеет длину, обеспечивающую создание щелевого канала в почве глубиной, достаточной для погружения измерительного блока до упора опорной лыжи о поверхность почвы при любом задаваемом расстоянии между подошвой лыжи и горизонтальной линией положения датчиков и любом задаваемом угле установки ножа-щелереза, а верхняя концевая часть ножа-щелереза, расположенная по другую сторону осевого соединения, зафиксирована предохранительным срезным болтом в имеющемся на раме узле ступенчатой фиксации углового положения ножа-щелереза, причем этот узел снабжен упором для фиксации положения лезвия ножа-щелереза вдоль лобовой кромки измерительного блока при наезде на камень и срезании предохранительного фиксирующего болта, кроме того, для удержания измерительного блока в вертикальной плоскости его симметрии, совпадающей с направлением движения устройства, несущая рама снабжена жесткой сцепкой для соединения со средством передвижения по полю.
В важном частном случае общей формы осуществления изобретения отличие от прототипа состоит в том, тем, что в качестве средства передвижения использован трактор с гидравлической системой увеличения сцепного веса, обеспечивающей постоянное задаваемое усилие прижатия опорной лыжи к почве при измерении агротехнологических характеристик пахотного слоя почвы в движении.
В другом важном частном случае общей формы осуществления изобретения отличие от прототипа состоит в том, что в качестве средства передвижения использован трактор с гидравлической системой, обеспечивающей заглубление устройства при движении до контакта опорной лыжи с почвой и дальнейший плавающий режим гидравлической системы без создания заглубляющего усилия на устройство, при этом на раме устройства установлен заглубляющий груз или короб для его размещения.
В частном случае общей формы выполнения устройства, дающем возможность контролировать на дисплее компьютера заглубление измерительного блока в почву до упора опорной лыжи о почву, отличие от прототипа состоит в том, что стойка опорной лыжи выполнена телескопической с неподвижной частью, установленной на несущей раме с возможностью ступенчатого изменения расстояния между подошвой лыжи и датчиками, и подвижной частью, шарнирно соединенной с опорной лыжей, при этом стойка снабжена преобразователем силы прижатия опорной лыжи к почве в электрический сигнал, состоящим из нагрузочной Z-образной балки и тензочувствительного элемента, причем нагрузочная Z-образная балка соединена с подвижной и неподвижной частями телескопической стойки тягами, обеспечивающими растяжение балки под действием силы прижатия опорной лыжи к почве, а входные и выходные электрические цепи тензочувствительного элемента соединены с блоком управления измерениями, сбора и преобразования измерительной информации.
В важном частном случае общей формы воплощения устройства, когда устройство, как и прототип, содержит установленный в измерительном блоке оптический датчик внутрипочвенной видимой - ближней инфракрасной спектроскопии на отражение, включающий источник света, оптическое сапфировое окно для освещения почвы и пропускания отраженного от нее света, волоконно-оптический кабель для приема отраженного от почвы света и направления его в спектрометр, размещенный на раме устройства, отличие от прототипа состоит в том, что датчик выполнен в виде полого фотометрического цилиндра с круглым входным отверстием на плоском дне цилиндра, против которого размещено установленное на кольцевом держателе круглое оптическое сапфировое окно, врезанное с держателем в измерительный блок заподлицо с его боковой стенкой, цилиндр закрыт крышкой, на внутренней стороне которой расположен упомянутый источник света, состоящий из равномерно распределенных по окружности миниатюрных ламп накаливания, крышка имеет центральное отверстие, в котором закреплен входной торец волоконно-оптического кабеля, и охватывающий входной торец обод-экран, препятствующий прямому прохождению излучения ламп накаливания на вход волоконно-оптического кабеля, причем оси оптического сапфирового окна, входного отверстия на плоском дне цилиндра, центрального отверстия крышки, обода-экрана и центр окружности расположения ламп накаливания размещены на оси фотометрического цилиндра.
В предпочтительном частном случае общей формы воплощения устройства отличие от прототипа состоит в том, что в измерительном блоке размещены помимо датчика оптической внутрипочвенной видимой - ближней инфракрасной спектроскопии на отражение, по крайней мере, один, либо несколько, либо все из нижеследующих датчиков агротехнологических характеристик пахотного слоя почвы: емкостный или индуктивный датчик действительного и мнимого компонентов комплексной диэлектрической проницаемости, электропроводности и влагосодержания почвы, контактный датчик температуры почвы, датчик сопротивления горизонтальной пенетрации почвы, либо датчик сопротивления горизонтальной пенетрации почвы, совмещенный с емкостным датчиком измерения электрофизических характеристик почвы, уплотненной при движении датчиком сопротивления горизонтальной пенетрации, при этом датчик сопротивления горизонтальной пенетрации почвы либо датчик сопротивления горизонтальной пенетрации почвы, совмещенный с емкостным датчиком измерения электрофизических характеристик почвы, уплотненной при движении датчиком сопротивления горизонтальной пенетрации, расположен последним в ряду датчиков от носовой части измерительного блока.
В частной форме воплощения устройства - при использовании в измерительном блоке емкостного датчика действительного и мнимого компонентов комплексной диэлектрической проницаемости, электропроводности и влагосодержания почвы - отличие предлагаемого устройства от прототипа состоит в том, что этот датчик выполнен в виде двух одинаковых расположенных соосно заподлицо с боковыми стенками измерительного блока круглых потенциальных электродов, изолированных кольцевыми диэлектрическими элементами от металлического монолитного корпуса измерительного блока, используемого в качестве корпусного электрода, при этом емкостный датчик подключен к входу двухкомпонентного диэлькометрического преобразователя, выходы которого связаны с блоком управления измерениями, сбора и преобразования измерительной информации.
В одной из частных конкретных форм реализации заявляемого устройства, использующей в измерительном блоке емкостный датчик, подключенный к входу двухкомпонентного диэлькометрического преобразователя, отличие устройства от прототипа состоит в том, что двухкомпонентный диэлькометрический преобразователь выполнен по схеме амплитудно-фазового разделения сигналов, используемых для вычисления действительного компонента комплексной диэлектрической проницаемости и электропроводности почвы, и содержит генератор синусоидального напряжения высокой частоты, к выходу которого подключен емкостный делитель, состоящий из постоянного конденсатора в верхнем плече и емкостного датчика в нижнем плече, к средней точке делителя подключен повторитель напряжения, выход которого связан с сигнальными входами двух фазовых детекторов, управляемых опорными напряжениями с выходов формирователей опорных напряжений, соединенных входами с выходом генератора синусоидального напряжения, при этом первый формирователь опорного напряжения, управляющий первым фазовым детектором, имеет на выходе опорное напряжение, синфазное с выходным напряжением высокочастотного генератора, а второй формирователь опорного напряжения, управляющий вторым фазовым детектором, имеет на выходе опорное напряжение, квадратурное по отношению к выходному напряжению высокочастотного генератора, вследствие чего постоянные напряжения на выходах детекторов пропорциональны синфазной и квадратурной с синусоидальным напряжением генератора составляющим напряжения на выходе делителя.
В другой частной конкретной форме реализации заявляемого устройства, использующей в измерительном блоке емкостный датчик, подключенный к входу двухкомпонентного диэлькометрического преобразователя, отличие от прототипа состоит в том, что двухкомпонентный диэлькометрический преобразователь выполнен в виде автогенераторного двухкомпонентного диэлькометрического преобразователя с управляемым напряжением усилением усилителя колебаний и каналом инерционной стабилизации амплитуды колебаний на линейном участке амплитудной характеристики управляемого усилителя, при этом к выходу управляемого усилителя подключен делитель резистор - параллельный колебательный контур с емкостным датчиком, средняя точка делителя подключена к входу управляемого усилителя с образованием цепи положительной обратной связи по напряжению, канал инерционной стабилизации амплитуды колебаний содержит амплитудный детектор выходного напряжения управляемого усилителя, источник опорного напряжения, схему сравнения выходного напряжения детектора с опорным напряжением и усилитель сигнала рассогласования, выход которого соединен с управляющим входом управляемого усилителя с образованием петли отрицательной обратной связи по огибающей амплитуд колебаний, а двумя информационными выходными параметрами автогенератора служат частота автоколебаний и модуль коэффициента передачи выходного делителя либо частота автоколебаний и напряжение управления усилением управляемого усилителя.
В одной из частных форм воплощения устройства - при использовании в измерительном блоке индуктивного датчика действительного и мнимого компонентов комплексной диэлектрической проницаемости, электропроводности и влагосодержания почвы, отличие от прототипа состоит в том, что этот индуктивный датчик выполнен в виде двух одинаковых установленных соосно в круглых окнах измерительного блока кольцевых катушек индуктивности, изолированных диэлектрическими элементами от металлического корпуса измерительного блока, при этом индуктивный датчик подключен к входу двухкомпонентного диэлькометрического преобразователя, выходы которого связаны с блоком управления измерениями, сбора и преобразования измерительной информации.
В важной частной форме воплощения устройства - при использовании в измерительном блоке контактного датчика температуры почвы, отличие предлагаемого устройства от прототипа состоит в том, что этот датчик выполнен в виде двух одинаковых установленных соосно заподлицо с боковыми стенками измерительного блока круглых теплоприемников, теплоизолированных от металлического корпуса измерительного блока, а в теплоприемники вмонтированы термочувствительные измерительные преобразователи, подключенные к блоку управления измерениями, сбора и преобразования измерительной информации.
В частной форме реализации устройства - при использовании в измерительном блоке датчика сопротивления горизонтальной пенетрации, отличие устройства от прототипа состоит в том, что датчик сопротивления горизонтальной пенетрации имеет металлический чувствительный элемент с симметрично выступающими за стенки измерительного блока приемниками давления, который установлен в корпусе измерительного блока с возможностью продольного смещения под действием давления почвы на приемники давления при движении устройства в пахотном слое почвы, и преобразователь силы в электрический сигнал, состоящий из нагрузочной Z-образной балки и тензочувствительного элемента, при этом чувствительный элемент датчика пенетрации соединен с нагрузочной Z-образной балкой тягой, обеспечивающей растяжение балки под действием давления почвы на приемники давления, зазор чувствительного элемента с боковыми стенками измерительного блока заполнен эластичным герметиком, а входные и выходные цепи тензочувствительного элемента соединены с блоком управления измерениями, сбора и преобразования измерительной информации.
В частной предпочтительной форме реализации устройства с датчиком сопротивления горизонтальной пенетрации отличие от прототипа состоит в том, что приемники давления почвы чувствительного элемента датчика сопротивления горизонтальной пенетрации выполнены в форме трехгранных прямых призм с поперечными к направлению движения ребрами и с воспринимающими давление почвы гранями, расположенными под тупым углом к направлению движения устройства.
Развитием частной формы реализации устройства с датчиком сопротивления горизонтальной пенетрации является устройство, в котором датчик сопротивления горизонтальной пенетрации совмещен с датчиком измерения электрофизических характеристик почвы, уплотненной при движении датчиком сопротивления горизонтальной пенетрации. Это устройство отличается от прототипа тем, что датчик сопротивления горизонтальной пенетрации совмещен с датчиком измерения электрофизических характеристик почвы, уплотненной при движении датчиком сопротивления горизонтальной пенетрации, и имеет приемники давления чувствительного элемента датчика сопротивления горизонтальной пенетрации, выполненные в форме четырехгранных прямых призм с поперечными к направлению движения ребрами и с трапецеидальным сечением в горизонтальной плоскости, при этом грани призм, воспринимающие давление почвы, расположены под тупым углом к направлению движения устройства, а в грани, параллельные боковым стенкам измерительного блока, через изоляторы заподлицо врезаны потенциальные электроды датчика измерения электрофизических характеристик почвы, уплотненной при движении датчиком сопротивления горизонтальной пенетрации, при этом потенциальные электроды этого датчика и корпус измерительного блока подключены к измерительному преобразователю электрофизических характеристик почвы, уплотненной при движении датчиком сопротивления горизонтальной пенетрации, а выход этого преобразователя соединен с блоком управления измерениями, сбора и преобразования измерительной информации.
Отличие общей формы реализации предлагаемого устройства от прототипа состоит также в том, что оно снабжено датчиком скорости движения и пройденного пути, в частном случае выполненным в виде цилиндрического мерного колеса, установленного на подпружиненной вилке на задней части опорной лыжи с обеспечением контакта с поверхностью почвы, позади колеса на вилке расположен нож-скребок для очистки колеса от налипающей почвы, с внутренней стороны обода колеса вдоль образующей цилиндра вставлен стержневой постоянный магнит, намагниченный вдоль оси стержня, а в поле действия магнита на лыже установлен геркон, подключенный к блоку управления измерениями, сбора и преобразования измерительной информации.
В альтернативной форме реализации предлагаемого устройства с датчиком скорости движения и пройденного пути отличие от прототипа состоит в том, что оно снабжено датчиком скорости движения и пройденного пути, выполненным в виде мерного колеса диаметром 40-70 см, установленного на шарнирной вилке в задней части несущей рамы в продольной плоскости устройства, на колесе между осью и ободом размещен по крайней мере один постоянный магнит, а на вилке закреплен геркон, взаимодействующий с магнитом при вращении колеса и подключенный к блоку управления измерениями, сбора и преобразования измерительной информации.
Еще одно отличие общей формы воплощения устройства от прототипа состоит в том, что оно снабжено соединенными с несущей рамой опорными стойками, выполненными с возможностью установки их в вертикальное положение при отсоединении устройства от средства передвижения и хранении и имеющими длину, обеспечивающую вертикальное положение устройства без касания ножом-щелерезом и измерительным блоком опорной поверхности для их защиты от поломок и упрощения сочленения устройства со средством передвижения с помощью жесткой сцепки, при этом стойки выполнены с возможностью переустановки их и фиксации в горизонтальном положении после сцепки устройства со средством передвижения для проведения измерений в движении.
Достигаемый технический результат состоит, прежде всего, в расширении арсенала технических средств, предназначенных для измерения агротехнологических характеристик пахотного слоя почвы в движении, что необходимо для управления технологиями точного земледелия. Предложенное устройство обеспечивает одновременное измерение комплекса взаимосвязанных агротехнологических характеристик пахотного слоя почвы на ступенчато устанавливаемых глубинах 10…35 см при скорости движения до 5 км/ч. Благодаря комплексированию измерений информация о всех измеряемых агротехнологических характеристиках пахотного слоя почвы снимается и регистрируется одновременно в одной и той же точке поля, что позволяет использовать ее для построения моделей и исследования многопараметрических закономерностей в характеристиках почв. Благодаря комплексированию открывается возможность косвенного определения по моделям важных агротехнологических характеристик, не измеряемых непосредственно датчиками: плотность сложения сухой почвы, электропроводность почвенной воды, возможность интерпретации результатов измерения сопротивления горизонтальной пенетрации с учетом влагосодержания почвы, а также возможность коррекции влияния скорости движения устройства на показания датчиков температуры и сопротивления горизонтальной пенетрации. Устройство обеспечивает возможность электронного картирования полей по комплексу одновременно измеряемых и определяемых по моделям агрофизических и агрофизических параметров почвы, что расширяет возможности исследования пространственно-временной неоднородности полей и повышает эффективность управления технологиями точного земледелия. Кроме того, накопление массивов измерительной информации по комплексу одновременно измеряемых и определяемых параметров для различных видов почв станет основой выявления новых закономерностей и связей агротехнологических характеристик почв, что послужит основой совершенствования управления технологическими процессами обработки почв и выращивания сельскохозяйственных культур. Комплексирование измерений уменьшает антропогенную нагрузку на почву при проведении измерений по сравнению с ситуацией проведения группы отдельных несвязанных измерений и повышает производительность и снижает стоимость измерения отдельных агротехнологических характеристик.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых:
- на фиг.1 представлен внешний вид общей формы реализации устройства, соединенного со средством передвижения по полю, в соответствии с заявляемым изобретением;
- фиг.2 изображает аксонометрическую диметрическую проекцию общей формы реализации устройства;
- фиг.3 отражает конструктивное выполнение ножа-щелереза, а также узла установки угла резания и защиты измерительного блока при наезде на камни;
- на фиг.4 представлена конструкция телескопической стойки опорной лыжи, снабженной тензометрическим преобразователем силы прижатия опорной лыжи к почве в электрический сигнал в соответствии с п.4 формулы изобретения;
- на фиг.5 дан профильный разрез оптического датчика внутрипочвенной видимой - ближней инфракрасной спектроскопии на отражение с оптическим окном, расположенным на боковой стенке измерительного блока, в соответствии с п.5 формулы изобретения;
- на фиг.6 представлен измерительный блок с базовой комплектацией измерительных датчиков для предпочтительной формы воплощения заявляемого устройства;
- на фиг.7 изображено конструктивное выполнение емкостного датчика действительного и мнимого компонентов комплексной диэлектрической проницаемости, электропроводности и влагосодержания почвы в соответствии с п.7 формулы изобретения;
- на фиг.8 представлена блок-схема двухкомпонентного диэлькометрического преобразователя с емкостным датчиком, выполненного по принципу амплитудно-фазового разделения сигналов, используемых для вычисления действительного компонента комплексной диэлектрической проницаемости и электропроводности почвы, в соответствии с п.8 формулы изобретения;
- на фиг.9 представлен пример построения двухкомпонентного диэлькометрического преобразователя с емкостным датчиком в виде автогенераторного двухкомпонентного диэлькометрического преобразователя с инерционной стабилизацией амплитуды колебаний по патенту РФ №2361226, МПК G01R 27/26, G01N 27/02, приоритет 28.09.2007, зарегистрирован 10.07.2009, - в соответствии с п.9 формулы изобретения;
OSC
УП
- фиг.10 дает градуировочную характеристику автогенераторного двухкомпонентного диэлькометрического преобразователя с емкостным датчиком как измерителя диэлектрических характеристик (действительного компонента ε' КДП и электропроводности σ) и объемного влагосодержания θ почвы в координатах выходных параметров автогенераторного ДДП (частоты автоколебаний f и напряжения управления усилением U управляемого усилителя);
- фиг.11 изображает конструктивное выполнение индуктивного датчика действительного и мнимого компонентов комплексной диэлектрической проницаемости, электропроводности и влагосодержания почвы в соответствии с п.10 формулы изобретения;
- на фиг.12 представлен двухкомпонентный диэлькометрический преобразователь с индуктивным датчиком, выполненный в виде автогенераторного преобразователя с управляемым напряжением усилением усилителя колебаний и каналом инерционной стабилизации амплитуды колебаний (построенный в соответствии с патентом РФ №2361226);
OSC
Д
- на фиг.13 приведены расчетные градуировочные характеристики автогенераторного двухкомпонентного диэлькометрического преобразователя с индуктивным датчиком, выполненного по функциональной схеме фиг.12, как измерителя действительного компонента ε' КДП и электропроводности σ тестируемого материала, в координатах выходных параметров автогенераторного преобразователя: частоты автоколебаний f и модуля коэффициента передачи k выходного делителя;
- фиг.14 изображает конструктивное выполнение датчика температуры по пункту 11 формулы изобретения;
- на фиг.15 представлены градуировочные характеристики термочувствительных измерительных преобразователей - кремниевых полупроводниковых преобразователей температуры с положительным температурным коэффициентом TD-5 компании Honey-well, установленных в датчике температуры, в виде зависимости температуры преобразователя от их сопротивления для двух преобразователей, установленных в датчике температуры;
- на фиг.16 приведен график, поясняющий методику определения динамической погрешности измерения температуры, вызванной нагревом датчика температуры вследствие трения о почву при движении, и методику определения инерционности (постоянной времени τ) датчика температуры, находящегося в контакте с почвой (а), и экспериментально полученные графики экспоненциального убывания температуры датчика при остановке мобильного устройства после продолжительного движения с постоянной скоростью (б);
- фиг.17 изображает построение датчика сопротивления горизонтальной пенетрации по п.12 формулы изобретения;
- на фиг.18 изображена конструкция чувствительного элемента датчика сопротивления горизонтальной пенетрации с приемниками давления почвы, выполненными в форме трехгранных прямых призм с воспринимающими давление почвы гранями, расположенными под тупым углом к направлению движения устройства, в соответствии с п.13 формулы изобретения;
- на фиг.19 представлены градуировочные характеристики датчика сопротивления горизонтальной пенетрации;
- на фиг.20 приведено схематическое устройство датчика сопротивления горизонтальной пенетрации, который совмещен с датчиком измерения электрофизических характеристик почвы, уплотненной при движении датчиком сопротивления горизонтальной пенетрации, и имеет приемники давления чувствительного элемента датчика сопротивления горизонтальной пенетрации, выполненные в форме четырехгранных прямых призм, в соответствии с п.14 формулы изобретения;
- фиг.21 отражает конструкцию датчика скорости и пройденного пути, установленного на опорной лыже, по п.15 формулы изобретения;
- на фиг.22 представлена альтернативная конструкция датчика скорости и пройденного пути в виде мерного колеса, установленного на шарнирной вилке в задней части несущей рамы устройства, согласно п.16 формулы изобретения.
- фиг.23 представляет размещение на несущей раме опорных стоек, выполненных с возможностью их установки и фиксации в вертикальном положении при размещении устройства на площадке хранения и в горизонтальном положении при использовании устройства для измерений, в соответствии с п.17 формулы изобретения;
- на фиг.24 изображена схема микроконтроллерного блока управления измерениями, сбора и регистрации измерительной информации заявляемого мобильного устройства, а также общая структурная схема измерений агротехнологических характеристик пахотного слоя почвы в движении с использованием заявляемого устройства с привязкой результатов измерений к календарному времени и географическим координатам места и выводом измеренных данных на бортовой компьютер.
Устройство для измерения агротехнологических характеристик пахотного слоя почвы в движении во всех формах его воплощения (фиг.1, 2) содержит несущую раму 1, соединенную со средством передвижения по полю 2, опорный элемент 3, установленный на раме 1 и определяющий ее положение над почвой (уровень почвы L1 на фиг.1). На раме 1 размещен нож-щелерез 4, создающий при движении продольный щелевой канал в почве, и измерительный блок 5 с измерительными датчиками 6-1, 6-2, 6-3, 6-4, выполненный вытянутым вдоль направления движения. Измерительный блок 5 имеет толщину, одинаковую с толщиной ножа-щелереза 4, и установлен за ним в направлении движения. Устройство снабжено узлом 7 ступенчатой регулировки глубины положения измерительного блока в продольном щелевом канале при движении по полю, а также узлом защиты (8 на фиг.1 и 3) измерительного блока 5 от повреждения при наезде ножа-щелереза 4 на препятствия. Кроме того, устройство оснащено блоком 9 управления измерениями, сбора и преобразования измерительной информации, бортовым компьютером 10 и приемником с антенной 11 системы геопозиционирования для регистрации измерительной информации и картирования. В отличие от прототипа корпус измерительного блока 5 выполнен в виде монолитной металлической пластины из нержавеющей стали с заостренной и скошенной сверху вниз назад лобовой передней кромкой и жестко соединен с несущей рамой 1 передней 12 и задней 13 стойками. Датчики 6-1, 6-2, 6-3, 6-4 врезаны в измерительный блок 5 и размещены на его боковых стенках вдоль общей прямой линии (L2 на фиг.1) с одинаковой глубиной D2 расположения чувствительных (воспринимающих) элементов датчиков от поверхности почвы (L1 на фиг.1). Опорный элемент 3 выполнен в виде размещенной над измерительным блоком 5 опорной лыжи, шарнирно соединенной с установленной на несущей раме 1 стойкой 14, причем эта стойка закреплена на несущей раме с возможностью ступенчатого изменения задаваемого расстояния D2 между подошвой опорной лыжи и прямой горизонтальной линией L2 с одинаковой глубиной расположения чувствительных элементов датчиков 6-1, 6-2, 6-3, 6-4 в измерительном блоке 5 от поверхности почвы L1. Ступенчатое изменение расстояния D2 достигнуто выполнением узла ступенчатой регулировки 7 в виде стойки 14 с отверстиями 15 (фиг.2) и фиксирующего болта (поперечного фиксатора) 16, при этом стойка 14 установлена на раме 1 с возможностью вертикального перемещения между направляющими 17-1, 17-2, 17-3, 17-4 (фиг.2). Преимущественным расстоянием между отверстиями является 5 см, что позволяет менять расстояние датчиков от поверхности почвы (расстояние D2 на фиг.1) через 5 см и задавать D2 преимущественно равным 15, 20, 25, 30, 35 см, т.е. в пределах пахотного слоя почвы. Нож-щелерез 4, установленный на раме 1 перед измерительным блоком 5, имеет осевое соединение 18 с рамой 1, обеспечивающее образование общей вертикальной продольной плоскости симметрии с измерительным блоком 5 и выполненной с возможностью регулирования углового положения ножа-щелереза в этой плоскости (фиг.1, 3). Нож-щелерез 4 с режущей кромкой 19 имеет длину, обеспечивающую создание щелевого канала в почве глубиной, достаточной для погружения измерительного блока 5 до упора опорной лыжи 3 о поверхность почвы L1 при любом задаваемом расстоянии D2 между подошвой лыжи и горизонтальной линией L2 положения датчиков (фиг.1). Для регулирования углового положения ножа-щелереза 4 его верхняя концевая часть, расположенная по другую сторону осевого соединения 18, размещена между двумя жестко установленными на несущей раме 1 продольными пластинами 20, в которых выполнены отверстия 21 (фиг.1, фиг.3), совпадающие с поперечным отверстием в концевой части ножа-щелереза 4 при изменении углового положения ножа-щелереза на каждые 10 градусов в диапазоне от +30 до -30 градусов (положительные углы соответствуют смещению нижнего конца ножа-щелереза в направлении движения). Выбор углового положения ножа-щелереза обеспечивается фиксацией болтом, проходящим через соответствующие выбранному угловому положению отверстия 21 в пластинах 20 и отверстие в верхней концевой части ножа-щелереза 4 (болт показан на фиг.3). Этот болт выполнен предохранительным срезным. Срезание болта происходит при наезде устройства на препятствия. В этом случае верхняя концевая часть ножа-щелереза 4 ложится на упор 22 (фиг.3) и лезвие ножа 19 занимает положение, параллельное лобовой кромке измерительного блока 5. В этом положении средство передвижения 2 перетаскивает устройство через препятствие, после чего необходима установка нового срезного болта для установки ножа-щелереза 4 в желаемое угловое положение для продолжения полевых измерений в движении. В качестве срезных болтов могут использоваться болты из твердого дюралюминия или пустотелые стальные болты. Для удержания измерительного блока 5 в вертикальной плоскости его симметрии, совпадающей с направлением движения устройства, несущая рама 1 снабжена жесткой сцепкой 23 для соединения устройства со средством передвижения 2 по полю.
Устройство работает следующим образом. С помощью сцепки 23 (фиг.1, 2, 3) устройство жестко навешивают на средство передвижения 2, преимущественно на трактор, снабженный узлом стандартной сцепки. С помощью гидравлической системы управления прицепными орудиями (рычаги 24 на фиг.1) устройство вывешивают над землей, рычагом 14 с отверстиями 15 (фиг.2) и поперечным фиксатором 16 задают одно из ступенчато изменяемых значений расстояния D2 между подошвой опорной лыжи 3 и горизонтальной линией L2 расположения датчиков в измерительном блоке, а также устанавливают нож-щелерез 4 в одно из фиксированных положений пропусканием срезного болта через соответствующие отверстия 21 в фиксирующих пластинах 20 и отверстие в концевой части ножа-щелереза. Включают электрическое питание датчиков, блока 9 управления измерениями, сбора и преобразования измерительной информации, бортового компьютера и бортовым компьютером 10 и приемника 11 системы геопозиционирования (блок 164 на фиг.24) и начинают движение по полю, производя с помощью гидравлической системы заглубление измерительного блока 5 до упора опорной лыжи 3 о поверхность почвы. При этом блок управления измерениями 9 производит периодический опрос датчиков измерительного блока 5 и запись измерительной информации в компьютер 10, куда поступают также данные приемника системы геопозиционирования с антенной 11 о значениях географических координат и скорости движения. Преимущественная периодичность опроса 0,5-2 с, скорость движения по полю 0,5-3 м/с. Для построения карт измеряемых параметров необходимо осуществлять движение по полю параллельными проходами с заданным фиксированным расстоянием между проходами. Для этого используют специально предназначенные для картирования и параллельного вождения приемники геопозиционирования, например комплект GPS-приемника CFX-750 TRIMBLE с соответствующим программным обеспечением и дисплеем, на котором поперечными к направлению движения стрелками показано, в какую сторону надо поворачивать руль трактора, чтобы не отклоняться от заданного параллельного прохода. Для повышения точности определения координат до единиц сантиметров используют дифференциальные поправки к показаниям приемника с помощью сигналов, передаваемых опорными корректирующими станциями. В простейших случаях картирование можно осуществить без использования приемника геопозиционирования путем разметки поля вешками и/или контроля направления движения компасом или гироскопом. В этих случаях для измерения скорости движения используют датчик скорости и пройденного пути, установленный непосредственно на устройстве (см. п.15, 16 формулы изобретения и соответствующий раздел описания). В случае наезда устройства на препятствия (крупные камни) удар ножа-щелереза вызывает срезание предохранительного болта, с помощью которого производится установка заданного угла ножа-щелереза путем введения в одну из пар отверстий 21 фиксирующих пластин 20 и в отверстие в верхней части ножа-щелереза. При этом верхняя часть ножа-щелереза ложится на упор 22 на раме 1 (фиг.3), а нож 4 занимает положение вдоль наклонной стойки 12 и скошенной передней стойки измерительного блока 5. В таком положении трактор перетаскивает устройство через препятствие, после чего необходима остановка трактора, подъем устройства над почвой с помощью гидравлической системы трактора, возвращение ножа-щелереза в прежнее угловое положение и установка нового срезного фиксирующего болта.
В важном частном случае общей формы осуществления изобретения отличие от прототипа состоит в том, тем, что в качестве средства передвижения 2 использован трактор с гидравлической системой увеличения сцепного веса, обеспечивающей постоянное задаваемое усилие прижатия опорной лыжи к почве при измерении агротехнологических характеристик пахотного слоя почвы в движении. В органах управления гидравлической системой 24 такого трактора имеется рычаг, включающий режим увеличения сцепного веса с постоянным усилием прижатия нагрузки к почве, задаваемой маховичком, расположенным в кабине трактора [Практикум по трактору. Под редакцией А.И. Калошина. М.: Просвещение, 1972, с.153-154]. Примером такого трактора является Беларус МТЗ-82 в модификации с гидравлическим увеличителем сцепного веса.
В другом важном частном случае общей формы осуществления изобретения отличие от прототипа состоит в том, что в качестве средства передвижения 2 использован трактор с гидравлической системой, обеспечивающей заглубление устройства при движении до контакта опорной лыжи с почвой и дальнейший плавающий режим гидравлической системы без создания заглубляющего усилия на устройство, при этом на раме устройства установлен заглубляющий груз или короб 25 для его размещения (фиг.1, 2).
В частном случае общей формы выполнения устройства, дающем возможность контролировать на дисплее компьютера заглубление измерительного блока в почву до упора опорной лыжи о почву, отличие от прототипа состоит в том, что стойка опорной лыжи 14 (фиг.2, 3) выполнена телескопической с неподвижной частью 25 (фиг.4), установленной на несущей раме 1 (фиг.2, 3) с возможностью ступенчатого изменения расстояния между подошвой лыжи и датчиками с использованием отверстий 15 и поперечного фиксатора 16 (фиг.2), и подвижной частью 26 (фиг.4), шарнирно соединенной с опорной лыжей 3 (фиг.1, 2, 3). При этом стойка снабжена внутри тензометрическим преобразователем силы прижатия опорной лыжи к почве в электрический сигнал, состоящим из нагрузочной Z-образной балки 27, выполненной из сталеникелевого сплава, и мостового тензочувствительного элемента 28, причем нагрузочная Z-образная балка соединена с подвижной 26 и неподвижной 25 частями телескопической стойки тягами 29-1, 29-2, обеспечивающими ее растяжение под действием силы прижатия опорной лыжи 3 к почве. Тяги 29-1, 29-2 представляют собой винты, имеющие резьбовое соединение с верхним 30 и нижним 31 изгибающимися под нагрузкой элементами Z-образной балки 27. Неподвижная 25 и подвижная 26 части телескопической стойки выполнены из стальных труб прямоугольного сечения и установлены соосно во фронтальной плоскости симметрии, совпадающей с направлением движения устройства. Нижняя тяга-винт 29-2 пропущена снизу через осевое отверстие 32 в прямоугольной раме 33, внутри которой размещен тензометрический преобразователь силы, и опирается головкой винта снаружи на эту раму. Рама 33 установлена в плоскости симметрии неподвижной части 25 стойки и жестко привинчена к ней винтами 34, 35. Верхняя тяга-винт 29-1 пропущена через отверстие 36 в прямоугольном крепежном элементе 37 и опирается на него головкой снаружи. Крепежный элемент 37 установлен в плоскости симметрии телескопических труб и жестко соединен винтами 38 с наружной подвижной частью 26 стойки 14. Возможность взаимного продольного перемещения подвижной 26 и неподвижной 25 телескопических частей стойки 14 под действием вертикальных нагрузок на лыжу 3, приводящих к вертикальной деформации нагрузочной балки 27, не превышающей 1-1,5 мм, обеспечивается конструкцией винтов 34, 35, 38 и формой отверстий под винтами 35 в подвижной части 26 стойки, а также формой отверстий под винтами 38 в неподвижной части стойки 25. Винты 34, крепящие раму 33 к внутренней поверхности прямоугольной трубы - неподвижной части 25 стойки 14, выполнены латунными, имеют плоскую поверхность и заданную высоту головок для обеспечения фиксированного минимального зазора между телескопическими частями стойки и малого трения винтов о внутреннюю поверхность стальной прямоугольной трубы - подвижной части стойки 26 при взаимном продольном перемещении подвижной 26 и неподвижной 25 частей стойки 14. Винты 35 имеют резьбовую часть для ввинчивания в неподвижную часть 25 стойки и столбик большего диаметра заданной высоты между резьбовой частью и головкой с плоской нижней поверхностью. При этом винты 35 ввинчены через отверстия 39 в подвижной части 26 стойки в неподвижную часть 25 стойки до упора о столбики, благодаря чему нижняя поверхность головки этих винтов фиксирует максимальное расстояние между стенками подвижной и неподвижной частей стойки 14. Для обеспечения возможности взаимного продольного перемещения частей стойки отверстия 39 под винтами 35 в подвижной части 26 стойки выполнены вытянутыми в продольном (вертикальном) направлении, без касания боковой поверхности столбиков, а винты 35 изготовлены из латуни для уменьшения трения наружных стальных поверхностей подвижной части 26 стойки о нижнюю поверхность головок винтов 35. Винты 38, служащие для жесткого соединения крепежного элемента 37 с наружной подвижной частью 26 телескопической стойки, имеют резьбовую часть для ввинчивания в крепежный элемент 37 и столбик большего диаметра заданной высоты между резьбовой частью и головкой с плоской нижней поверхностью. При этом винты 38 ввинчены через отверстия в подвижной 26 и неподвижной 25 частях телескопической стойки в крепежный элемент 37 до упора о столбики, благодаря чему нижние поверхности головок этих винтов фиксируют жесткую установку крепежного элемента 37 по продольной оси телескопической стойки. Для обеспечения возможности взаимного продольного перемещения частей телескопической стойки отверстия под винты 38 в подвижной части 26 стойки выполнены совпадающими по диаметру со столбиками на винтах 38, а отверстия 40 под винтами 38 в неподвижной части 25 стойки выполнены вытянутыми в продольном направлении без касания боковой поверхности столбиков. Для фиксации расстояния между передними и задними стенками подвижной 26 и неподвижной 25 частей телескопической стойки в раму 33 с передней и задней сторон через отверстия в неподвижной части 25 стойки ввинчены латунные винты со столбиками и плоскими головками, поверхность которых образует малый зазор с внутренней поверхностью передней и задней стенок подвижной части 26 телескопической стойки (на чертежах эти винты не показаны). Места подвижного соприкосновения подвижной части 26 стойки с направляющими ее движение винтами 34, 35 смазаны консистентной смазкой для уменьшения трения. Альтернативой фиксации расстояния между стенками подвижной и неподвижной частей телескопической стойки при осевом относительном перемещении могут служить ролики, установленные между стенками частей стоек. Винты-тяги 29-1, 29-2 имеют головки со сферической поверхностью со стороны стержня, а отверстия 32 в раме 33, и 36 в опорном элементе 37 имеют диаметр, превышающий диаметр стержня винтов-тяг. Кроме того, гнезда под сферические головки винтов-тяг в раме 33 и опорном элементе 37 выполнены также сферическими. При воздействии вертикальных нагрузок на телескопическую стойку, прижимающих опорную лыжу к почве, наружная подвижная часть 26 телескопической стойки смещается вверх относительно неподвижной части 25 и через опорный элемент 37 растягивает нагрузочную Z-образную балку 27, разгибая ее верхний 30 и нижний 31 элементы. Разгибание этих элементов приводит к образованию небольшого угла между осями винтов-тяг и продольной осью телескопической стойки, вследствие чего сферические головки винтов-тяг поворачиваются на небольшой угол в сферических гнездах под эти головки в раме 33 и опорном элементе 37. Благодаря сферическим поверхностям головок винтов-тяг и гнезд под них, а также диаметру отверстий 32, 36 под винты-тяги в раме 33 и опорном элементе 37 исключается заклинивание нагрузочной Z-образной балки 27 при растяжении и обеспечивается линейный режим ее деформации. Деформация нагрузочной балки 27 создает напряжение на выходе мостового тензометрического преобразователя 28, питаемого постоянным или переменным электрическим током, которое пропорционально приложенной растягивающей силе между винтами-тягами 29-1, 29-2. Входные и выходные электрические цепи тензочувствительного элемента 28 через отверстие 41 в нагрузочной балке 27 и отверстие в неподвижной части 25 телескопической стойки соединены с блоком управления измерениями, сбора и преобразования измерительной информации 9, расположенным на несущей раме 1 устройства (фиг.1, 2). В качестве тензометрического преобразователя может быть использован тензодатчик модели YZ101B тайваньской фирмы YOUNGZON TRANSDUCER CO. LTD, имеющий линейный диапазон измерения нагрузок 50 кг - 200 кг при длине нагрузочной балки 76,2 мм, ширине 50,8 мм, толщине 19 мм, напряжение питания 5-12 В постоянного или переменного тока, входное сопротивление 400 Ом, выходное сопротивление 350 Ом, чувствительность 2 мВ/В, безопасная перегрузка 150%, материал балки - сталеникелевый сплав.
В важном частном случае общей формы воплощения устройство, как и прототип, содержит установленный в измерительном блоке 5 оптический датчик 6-3 внутрипочвенной видимой - ближней инфракрасной спектроскопии на отражение (фиг.1, 2). Этот датчик (фиг.5) имеет источник света 42, сапфировое окно 43 для освещения почвы и пропускания отраженного от нее света, волоконно-оптический кабель 44 для приема отраженного от почвы света и направления его в спектрофотометр, размещенный на раме устройства (см. 157 на фиг.24). Отличие от прототипа состоит в том, что датчик выполнен в виде полого фотометрического цилиндра 45 с круглым входным отверстием 46 на дне цилиндра, против которого размещено установленное на кольцевом держателе 47 круглое сапфировое окно 43, врезанное с держателем 47 в измерительный блок 5 заподлицо с его боковой стенкой, цилиндр 45 снабжен крышкой 48, на внутренней стороне которой расположен упомянутый источник света 42, состоящий из равномерно распределенных по окружности миниатюрных ламп накаливания, входное отверстие 46 фотометрического цилиндра 45 выполнено в центре крышки 48, и в нем закреплен входной торец 49 волоконно-оптического кабеля 44. Другой конец волоконно-оптического кабеля расплющен и установлен перед входной щелью спектрофотометра. На крышке 48 установлен охватывающий входной торец 49 кабеля 44 обод-экран 50, препятствующий прямому прохождению излучения ламп накаливания 42 на входной торец 49 волоконно-оптического кабеля 44. Оси оптического окна 43, входного отверстия 46 на плоском дне цилиндра, т.е. центрального отверстия крышки 48, обода-экрана 50 и центр окружности расположения ламп накаливания 42 размещены на оси фотометрического цилиндра 45. Внутренняя поверхность камеры фотометрического цилиндра (т.е. собственно цилиндра 45, крышки 48, держателя 47 и обода-экрана 50) выполнена с высоким коэффициентом отражения, для чего может использоваться алюминий, имеющий коэффициент отражения около 0,9. Количество миниатюрных ламп накаливания в источнике света 42 составляет 4-6. Оптический датчик 6-3 работает следующим образом. При включении источника света 42, состоящего из миниатюрных ламп накаливания, равномерно расположенных по окружности фотометрического цилиндра 45, создается достаточно равномерное освещение объекта измерения - почвы, прилегающей снаружи к сапфировому окну 43. Лампы накаливания 42 и сапфировое окно 43 позволяют облучать почву и получать в фотометрическом цилиндре 45 отраженный от нее свет в видимой и ближней инфракрасной областях оптического спектра. Кроме того, сапфировое окно обладает высокой устойчивостью к шлифующему действию почвы при движении, чем достигается практическое постоянство коэффициента пропускания света в процессе эксплуатации устройства. Объект измерения - почва освещается как всеми лампами, так и диффузно рассеянным светом из фотометрического цилиндра. Поскольку в датчике принята геометрия измерения D/0 (диффузно рассеянное освещение / измерение отраженного под прямым углом от почвы света), то зеркальная составляющая коэффициента смешанного отражения будет по волоконно-оптическому кабелю 44 частично попадать в монохроматор и суммироваться с основным сигналом. Поток излучения, попадающий от почвы в монохроматор, определяется относительным отверстием монохроматора и площадью отверстия под измеряемый объект (сапфирового окна 43). Выход спектрофотометра 157 соединен с блоком управления измерениями, сбора и преобразования измерительной информации либо непосредственно с бортовым компьютером (фиг.24).
Выполнение источника света в виде группы равномерно распределенных по окружности миниатюрных ламп накаливания 42, установленных внутри фотометрического полого цилиндра 45 с входным торцевым отверстием 46, против которого расположено сапфировое окно 43, размещенное на боковой стенке измерительного блока 5, и крепление входного торца 49 волоконно-оптического кабеля 44, воспринимающего отраженное от почвы излучение, во входном торцевом отверстии 46 на оси цилиндра, дает возможность разместить датчик в монолитном корпусе измерительного блока 5 толщиной 25-35 мм с расположением оптического окна на боковой стенке измерительного блока. Достигаемый благодаря такому построению технический результат состоит в том, что в отличие от прототипа исключается погрешность от возникновения зазора между оптическим окном и поверхностью почвы при возможных вертикальных колебаниях измерительного блока в щели, создаваемой ножом-щелерезом, при движении и при осыпании почвы с боковых стенок щели на ее дно. Датчик 6-3 внутрипочвенной видимой - ближней инфракрасной спектроскопии на отражение позволяет, как и датчик в прототипе, по спектральным характеристикам отражения определять содержание в почве соединений, включающих функциональные группы C-H, N-H и O-H, и количественно определять формы углерода, азота и воды. Кроме того, спектры отраженного света в ближней инфракрасной области корреляционно связаны с такими свойствами почв, как кислотность (pH), содержание кальция и магния.
В общей предпочтительной форме воплощения заявляемого в качестве изобретения устройства отличие от прототипа состоит в том, что в измерительном блоке размещены помимо датчика оптической внутрипочвенной видимой - ближней инфракрасной спектроскопии на отражение (как в прототипе), по крайней мере, один, либо несколько, либо все из нижеследующих датчиков агротехнологических характеристик пахотного слоя почвы: емкостный или индуктивный датчик действительного и мнимого компонентов комплексной диэлектрической проницаемости, электропроводности и влагосодержания почвы, контактный датчик температуры почвы, датчик сопротивления горизонтальной пенетрации почвы либо датчик сопротивления горизонтальной пенетрации почвы, совмещенный с емкостным датчиком измерения электрофизических характеристик почвы, уплотненной при движении датчиком сопротивления горизонтальной пенетрации, при этом датчик сопротивления горизонтальной пенетрации почвы либо датчик сопротивления горизонтальной пенетрации почвы, совмещенный с емкостным датчиком измерения электрофизических характеристик почвы, уплотненной при движении датчиком сопротивления горизонтальной пенетрации, расположен последним в ряду датчиков от носовой части измерительного блока.
В базовой комплектации этой предпочтительной формы воплощения заявляемого устройства (фиг.6) в измерительном блоке 5 размещены: емкостный датчик 6-1 действительного и мнимого компонентов комплексной диэлектрической проницаемости, электропроводности и влагосодержания почвы, контактный датчик 6-2 температуры почвы, датчика 6-3 оптической внутрипочвенной видимой - ближней инфракрасной спектроскопии на отражение и датчик 6-4 сопротивления горизонтальной пенетрации. Все датчики установлены в измерительном блоке 5 вдоль общей горизонтальной линии A-A (фиг.6), при этом датчики 6-1, 6-2, 6-3 вмонтированы в блок 5 заподлицо с его боковыми поверхностями, датчики 6-1, 6-2 имеют чувствительные (воспринимающие) элементы, установленные симметрично с двух боковых сторон блока 5, датчик 6-3 имеет измерительное сапфировое окно 43, расположенное на одной боковой стенке блока 5, а датчик 6-4 имеет выступающие за боковые стенки чувствительные элементы 51, воспринимающие горизонтальное давление почвы при движении. Измерительный блок 5 и передняя стойка 12 имеют желоба 52, служащие для размещения соединительных кабелей, которые закрыты крышками 53. Кроме того, в желобе 52 измерительного блока 5 над емкостным датчиком 6-1 расположена печатная плата 54 измерительного преобразователя действительного и мнимого компонентов комплексной диэлектрической проницаемости, электропроводности и влагосодержания почвы. В измерительном блоке 5 вместо датчика 6-4 может быть установлен датчик сопротивления горизонтальной пенетрации почвы, совмещенный с емкостным датчиком измерения электрофизических характеристик почвы, уплотненной при движении датчиком сопротивления горизонтальной пенетрации (фиг.20). При этом датчик сопротивления горизонтальной пенетрации почвы 6-4 либо датчик сопротивления горизонтальной пенетрации почвы, совмещенный с емкостным датчиком измерения электрофизических характеристик почвы, уплотненной при движении датчиком сопротивления горизонтальной пенетрации (фиг.20), расположен последним в ряду датчиков от носовой части измерительного блока 5.
Указанные в описании и формуле изобретения датчики не исключают возможность установки в измерительном блоке 5 других датчиков агротехнологических характеристик пахотного слоя почвы для измерения их в движении.
Емкостный датчик 6-1 действительного и мнимого компонентов комплексной диэлектрической проницаемости, электропроводности и влагосодержания почвы (фиг.7) выполнен в виде двух одинаковых расположенных соосно заподлицо с боковыми стенками измерительного блока 5 круглых потенциальных электродов 55, изолированных кольцевыми диэлектрическими элементами 56 от металлического монолитного корпуса измерительного блока 5, используемого в качестве корпусного электрода, при этом емкостный датчик подключен к входу двухкомпонентного диэлькометрического преобразователя, смонтированного на печатной плате 54, выходы которого связаны с блоком управления измерениями, сбора и преобразования измерительной информации (155 на фиг.25). Потенциальные электроды 55 прикреплены изнутри к изолирующим кольцевым диэлектрическим элементам 56 винтами 57, на двух из которых установлены контактные лепестки 58. Эти лепестки служат для подключения потенциальных электродов к входу преобразователя на печатной плате 54 с помощью кабелей, проходящих в канале 59. Для сборки датчика и крепления его в теле измерительного блока 5 использовано сборочное кольцо 60 и стягивающие винты 61, равномерно расположенные по окружности кольца 60. Потенциальные электроды 55 и сборочное кольцо 60, так же как измерительный блок 5, выполнены из нержавеющей стали. В желобе 52 измерительного блока 5 проходят кабели 62, соединяющие измерительные датчики блока 5 с блоком управления измерениями, сбора и преобразования измерительной информации (155 на фиг.25).
th
Для измерения действительного и мнимого компонентов комплексной диэлектрической проницаемости, электропроводности и влагосодержания почвы емкостный датчик 6-1 (фиг.7) должен быть включен в схему двухкомпонентного диэлькометрического преобразователя. В качестве таких схем могут быть использованы: мосты переменного тока; автоматически уравновешивающиеся мосты; схемы, основанные на измерении резонансной частоты и добротности колебательного контура, в который включен емкостный датчик; схемы, основанные на измерении тока и напряжения в цепи, содержащей генератор синусоидального напряжения и емкостный датчик, и другие известные схемы измерения импеданса [Agilent Impedance Measurement Handbook. A guid to measurement technology and techniques. 4 Edition. http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/5950-3000.pdf].
Д
Х
ПИП
Х
Х
ПИП
П
ПИП
П
X
X
X
X
ВЫХ.СФ
ВЫХ.КВ
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>U</mi><mo>˙</mo></mover><mi>Д</mi></msub></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>U</mi><mo>˙</mo></mover><mi>Г</mi></msub></mrow>
Примером реализации такого двухкомпонентного диэлькометрического преобразователя является преобразователь, выполненный по схеме амплитудно-фазового разделения сигналов, используемых для вычисления действительного компонента комплексной диэлектрической проницаемости и электропроводности почвы в соответствии с п.8 формулы изобретения. Преобразователь (фиг.8) содержит генератор синусоидального напряжения высокой частоты 63, к выходу которого подключен реактивный делитель 64, состоящий из постоянного конденсатора C в верхнем плече и емкостного датчика 65 в нижнем плече. Емкостный датчик 65 представляет собой два параллельно включенных первичных измерительных преобразователя (ПИП), образованных потенциальными электродами 55 емкостного датчика 6-1 и корпусом измерительного блока 5 (фиг.7), которые через короткий отрезок коаксиального кабеля включены в нижнее плечо реактивного делителя 64. Эквивалентная электрическая схема этого емкостного датчика 65, в электрическом поле первичных измерительных преобразователей которого находится почва, представляет собой параллельное включение конденсатора с емкостью C и проводимостью G. При этом емкость C равна C=C+С, где C - информативная емкость ПИП, определяемая действительным компонентом ε' КДП материала в измерительном объеме ПИП (см. формулы (1)-(3) вверху), C - определяемая при калибровке паразитная емкость датчика 65, учитывающая емкость монтажа, соединительных кабелей и неиспользуемых областей электромагнитного поля ПИП. Проводимость потерь емкостного датчика 65 G (G=1/R, где R - сопротивление потерь датчика) определяется электропроводностью σ материала, находящегося в электромагнитном поле ПИП (формула (3) вверху). К средней точке делителя 64, имеющей напряжение
, подключен повторитель напряжения 66 с высоким входным сопротивлением, исключающим шунтирование делителя 64. Выход повторителя напряжения 66 связан с сигнальными входами фазовых детекторов 67 (фазовый детектор 1) и 68 (фазовый детектор 2). Входы опорного напряжения фазовых детекторов подключены к выходам формирователей опорного напряжения 69 и 70, соединенных входами с выходом генератора синусоидального напряжения 63. Формирователь опорного напряжения 69 создает опорное напряжение с фазой 0° по отношению к выходному напряжению генератора 63 (синфазное опорное напряжение). Формирователь опорного напряжения 70 создает опорное напряжение, сдвинутое на 90° по отношению к выходному напряжению генератора 63 (квадратурное опорное напряжение). Вследствие подключения фазовых детекторов к формирователям опорного напряжения 69, 70 с фазами 0° и 90° на выходе детектора 67 образуется постоянное напряжение U, пропорциональное синфазной с синусоидальным напряжением
генератора 63 составляющей напряжения на выходе делителя 64. Соответственно, на выходе детектора 68 образуется постоянное напряжение U, пропорциональное квадратурной с синусоидальным напряжением генератора 63 составляющей напряжения на выходе делителя 64.
ДСФ
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>U</mi><mo>˙</mo></mover><mi>Д</mi></msub></mrow>
Анализ реактивного делителя 64 методом комплексных амплитуд показывает, что модуль напряжения синфазной составляющей U комплексного выходного напряжения делителя
определяется формулой:
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Д</mi><mi>С</mi><mi>Ф</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msup><mi>ω</mi><mn>2</mn></msup><msub><mi>С</mi><mi>Д</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>С</mi><mrow><mi>П</mi><mi>И</mi><mi>П</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>С</mi><mi>П</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>С</mi><mi>Д</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><msubsup><mi>G</mi><mrow><mi>П</mi><mi>И</mi><mi>П</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup><mo>+</mo><msup><mi>ω</mi><mn>2</mn></msup><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>С</mi><mrow><mi>П</mi><mi>И</mi><mi>П</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>С</mi><mi>П</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>С</mi><mi>Д</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><msub><mi>U</mi><mi>Г</mi></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
ДКВ
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>U</mi><mo>˙</mo></mover><mi>Д</mi></msub></mrow>
а модуль напряжения квадратурной составляющей У комплексного выходного напряжения делителя
- формулой:
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Д</mi><mi>К</mi><mi>В</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msup><mi>ω</mi><mn>2</mn></msup><msub><mi>С</mi><mi>Д</mi></msub><msub><mi>G</mi><mrow><mi>П</mi><mi>И</mi><mi>П</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msubsup><mi>G</mi><mrow><mi>П</mi><mi>И</mi><mi>П</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup><mo>+</mo><msup><mi>ω</mi><mn>2</mn></msup><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>С</mi><mrow><mi>П</mi><mi>И</mi><mi>П</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>С</mi><mi>П</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>С</mi><mi>Д</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><msub><mi>U</mi><mi>Г</mi></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>5</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Г
ДСФ
ДКВ
ПИП
ПИП
ПИП
ПИП
ПИП
ПИП
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>U</mi><mo>˙</mo></mover><mi>Г</mi></msub></mrow>
где ω - круговая частота, a U - модуль синусоидального напряжения
на выходе генератора 63. Из формул (4) и (5) видно, что обе составляющие выходного напряжения реактивного делителя 64 - синфазная U и квадратурная U - зависят как от емкости C, так и от проводимости G, т.е. полного разделения каналов измерения действительного ε' и мнимого ε'' компонентов комплексной диэлектрической проницаемости измеряемой среды, определяемых по емкости C и проводимости G по формулам (3), не происходит. Однако значения емкости C и проводимости G могут быть найдены из формул (4) и (5) с использованием следующих выражений:
<mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mi>П</mi><mi>И</mi><mi>П</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>С</mi><mi>Д</mi></msub></mrow><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Д</mi><mi>С</mi><mi>Ф</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>U</mi><mi>Г</mi></msub></mrow></mfrac><mrow><mo>[</mo><mrow><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Д</mi><mi>К</mi><mi>В</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Д</mi><mi>С</mi><mi>Ф</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow></mfrac><mo>−</mo><msub><mi>С</mi><mi>П</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>С</mi><mi>Д</mi></msub><mo>,</mo><mtext>                                </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>6</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mi>П</mi><mi>И</mi><mi>П</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mi>ω</mi><msub><mi>С</mi><mi>Д</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Д</mi><mi>К</mi><mi>В</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Д</mi><mi>С</mi><mi>Ф</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Д</mi><mi>С</mi><mi>Ф</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>U</mi><mi>Г</mi></msub></mrow></mfrac><mrow><mo>[</mo><mrow><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Д</mi><mi>К</mi><mi>В</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Д</mi><mi>С</mi><mi>Ф</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow></mfrac><mo>.</mo><mtext>                            </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>7</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Д
П
Г
ДСФ
ДКВ
ВЫХ.СФ
ВЫХ.КВ
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>U</mi><mo>˙</mo></mover><mi>Д</mi></msub></mrow>
В выражениях (6), (7) - емкость верхнего плеча делителя C, паразитная емкость C, круговая частота колебаний ω и модуль выходного напряжения U генератора 63 - постоянные известные величины, а синфазная U и квадратурная U составляющие выходного напряжения
делителя 64 определяют с учетом коэффициентов передачи повторителя 66 и фазовых детекторов 67, 68 по постоянным выходным напряжениям фазовых детекторов U, U. Преобразования по выражениям (6), (7) могут быть выполнены в блоке управления измерениями, сбора и преобразования измерительной информации 155 либо в бортовом компьютере 10 (фиг.24).
S
УВЧ
АД
ОП
ОП
OSC
К
УВЧ
OSC
УП
Другим примером осуществления двухкомпонентного диэлькометрического преобразователя является преобразователь, выполненный в виде автогенераторного двухкомпонентного диэлькометрического преобразователя с управляемым напряжением усилением усилителя колебаний и каналом инерционной стабилизации амплитуды колебаний на линейном участке амплитудной характеристики управляемого усилителя [Ананьев И.П. Патент РФ на изобретение №2361226, МПК8 G01R 27/26, G01N 27/02, заявлен 28.09.2007, зарегистрирован 10.07.2009]. В этом автогенераторном преобразователе (фиг.9) в тракте высокой частоты 71 к выходу 72 управляемого усилителя 73 подключен делитель: резистор R 74 - параллельный колебательный контур 75 с емкостным датчиком 76. Средняя точка делителя 77 подключена к входу 78 управляемого усилителя 73 с образованием цепи положительной обратной связи по напряжению. Канал инерционной стабилизации амплитуды колебаний 79 содержит амплитудный детектор 80 выходного напряжения u управляемого усилителя 73, источник опорного напряжения 81, схему сравнения 82 выходного напряжения U детектора 80 с опорным напряжением U и усилитель сигнала рассогласования 83, выход которого 84 соединен с управляющим входом 85 управляемого усилителя 73 с образованием петли отрицательной обратной связи по огибающей амплитуд колебаний. Фильтр 86 определяет постоянную времени инерционного установления амплитуды колебаний на линейном участке амплитудной характеристики управляемого усилителя 73. Эту амплитуду задают значением опорного напряжения U источника опорного напряжения 81. Двумя информативными выходными параметрами автогенератора служат частота автоколебаний f (Вых.1) и модуль коэффициента передачи выходного делителя 74-75: k=u/u (Вых.2, Вых.1) либо частота автоколебаний f (Вых.1) и напряжение управления усилением U управляемого усилителя 73 (Вых.2').
УП
УП
ОП
S
УП
ОП
ОП
Автогенераторный двухкомпонентный диэлькометрический преобразователь работает следующим образом. В изображенной на фиг.9 схеме использован управляемый усилитель 73 с возрастающей зависимостью коэффициента усиления от управляющего напряжения U, а выход амплитудного детектора 80 подключен к схеме сравнения 82 так, что при наличии колебаний в усилителе 73 продетектированное напряжение вызывает уменьшение управляющего напряжения U. При включении питания опорное напряжение U через усилитель сигнала рассогласования 83 создает максимальное напряжение управления, вызывающее самовозбуждение колебаний в петле усилитель 73 - цепь положительной обратной связи с резистором R 74 и параллельным колебательным контуром 75 с емкостным датчиком 76. Колебания возникают на резонансной частоте колебательного контура 75, так как коэффициент передачи делителя 74-75 максимален на этой частоте. Вследствие максимального коэффициента усиления управляемого усилителя 73 при включении колебания нарастают до насыщения усилителя 73 и отсечек вершин колебаний. Однако возникшие колебания создают на выходе амплитудного детектора 80 напряжение, уменьшающее через усилитель 83 напряжение управления U. Благодаря отрицательной обратной связи по огибающей амплитуд колебаний в канале инерционной стабилизации колебаний 79 переходный процесс установления колебаний приводит к стационарному режиму колебаний, при котором напряжение на выходе детектора 80 практически равно опорному напряжению U, а амплитуда установившихся колебаний выбором U задается находящейся на линейном участке амплитудной характеристики управляемого усилителя 73. Вследствие этого отсечка колебаний исключается и положительная обратная связь через делитель 74-75 полностью компенсирует потери и колебательном контуре для мгновенных значений напряжения колебаний в течение всего периода колебаний.
ПИП
УП
ПИП
Х
Х
ПИП
П
ПИП
П
В установившемся режиме потери в колебательном контуре (проводимость G емкостного датчика), вызванные электропроводностью σ тестируемой среды, компенсируются усилением управляемого усилителя, поэтому напряжение управления U и коэффициент усиления усилителя 73, а также модуль коэффициента передачи делителя 74-75 в стационарном режиме являются мерой проводимости G и электропроводности σ тестируемой среды. Частота автоколебаний с учетом постоянной индуктивности колебательного контура является мерой емкости C емкостного датчика, равной C=C+C, где C - информативная емкость ПИП, определяемая действительным компонентом ε' КДП материала в измерительном объеме ПИП, а паразитную емкость C определяют при калибровке.
OSC
Х
УП
ПИП
Однако указанное разделение информации, когда частота автоколебаний f определяется только емкостью колебательного контура C, а модуль коэффициента передачи k или напряжение управления усилением U - только проводимостью G датчика 76, в электромагнитном поле которого находится исследуемый материал (почва), происходит только при полном отсутствии фазового сдвига колебаний в управляемом усилителе 73. В реальных схемах за счет наличия фазового сдвига в управляемом усилителе 73, полного разделения информации о емкости и проводимости емкостного датчика по информативным выходным параметрам автогенератора не происходит, однако значения емкости и проводимости и соответственно компонента ε' КДП и электропроводности σ исследуемого материала могут быть найдены по градуировочной сетке линий равной диэлектрической проницаемости ε' и равной электропроводности σ, построенной в координатах информативных выходных параметров автогенераторного двухкомпонентного диэлькометрического преобразователя.
OSC
УП
П
ДОБ
-1
На фиг.10 представлена градуировочная сетка линий равной диэлектрической проницаемости ε' и равной электропроводности σ почв в координатах выходных параметров автогенераторного двухкомпонентного диэлькометрического преобразователя: частоте автоколебаний f и напряжения управления усилением U управляемого усилителя для схемы с симметричным широкополосным управляемым усилителем SA5219 с полосой пропускания 700 МГц. В симметричный колебательный контур автогенератора включены симметрично установленные потенциальные электроды 55 емкостного датчика 6-1 (фиг.7) и «земля» - корпус измерительного блока 5. Кольцевые электроды 55 имеют диаметр 50 мм и врезаны заподлицо в измерительный блок 5 толщиной 30 мм через изоляторы 56 с наружным диаметром 90 мм. Геометрическая постоянная емкостного датчика, найденная экспериментально погружением измерительного блока в сосуд с дистиллированной водой, измерением частоты автоколебаний в воде с последующим извлечением блока из воды и подключением к электродам 55 датчика конденсатора с емкостью, возвращающей частоту автоколебаний к значению для случая погружения в воду, равна K=8 м. Градуировочная сетка, представленная на фиг.10, получена методом электрических эквивалентов путем включения в колебательный контур автогенераторного преобразователя при положении емкостного датчика в воздухе, добавочных резисторов и конденсаторов, соответствующих заданным значениям действительного компонента ε' КДП и электропроводностей σ тестируемого материала. Расчет значений добавочных конденсаторов сдоб и резисторов C производится по формулам:
<mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mi>Д</mi><mi>О</mi><mi>Б</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>ε</mi><mn>0</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>ε</mi><mo>'</mo><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><msub><mi>K</mi><mi>П</mi></msub></mrow></mfrac><mo>,</mo><msub><mrow><mtext>  R</mtext></mrow><mrow><mtext>ДОБ</mtext></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>K</mi><mi>П</mi></msub></mrow><mi>α</mi></mfrac><mo>,</mo><mtext>                                        </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>8</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
учитывающим, что датчик 6-1 при градуировках не отключается от автогенераторного преобразователя. Диапазон изменений ε' на градуировочной сетке фиг.10 составляет ε'=1-80, т.е. лежит в пределах значений от воздуха до воды, а диапазон изменений σ составляет σ=0-0,1 См/м, что составляет половину ширины принятого диапазона электропроводностей незасоленных почв сельскохозяйственного использования. На фиг.10 представлены также экспериментально полученные кривые увлажнения образцов дерново-подзолистой почвы: образца неизменного солевого состава, увлажняемого дистиллированной водой (нижняя кривая увлажнения); образца, увлажняемого раствором KCl с электропроводностью 0,2 См/м (верхняя кривая увлажнения); θ - объемная влажность почвы.
В одной из частных форм воплощения устройства - при использовании в измерительном блоке 5 индуктивного датчика действительного и мнимого компонентов комплексной диэлектрической проницаемости, электропроводности и влагосодержания почвы, отличие от прототипа состоит в том, что этот индуктивный датчик (фиг.11) выполнен в виде двух одинаковых установленных соосно в круглых окнах измерительного блока 5 кольцевых катушек индуктивности 87, изолированных диэлектрическими элементами 88 от металлического корпуса измерительного блока 5. При этом индуктивный датчик подключен к входу двухкомпонентного диэлькометрического преобразователя, выполненного, например, по схеме фиг.12 и смонтированного на печатной плате 89. Выходы преобразователя связаны с блоком управления измерениями, сбора и преобразования измерительной информации (на фиг.24 этот преобразователь не показан). Катушки 87 расположены близко к боковым поверхностям измерительного блока 5, а их оси перпендикулярны боковым поверхностям. Катушки могут быть включены последовательно согласно при их подключении к несимметричному входу двухкомпонентного диэлькометрического преобразователя либо быть включены раздельно к противофазным симметричным входам двухкомпонентного диэлькометрического преобразователя с симметричным управляемым высокочастотным усилителем. Печатная плата 89 двухкомпонентного диэлькометрического преобразователя расположена в желобе 52 измерительного блока 5, в котором проходят также кабели 62, соединяющие измерительные датчики блока 5 с блоком управления измерениями, сбора и преобразования измерительной информации (см. фиг.24). Выводы катушек 87 пропущены через канал 90 для подключения к преобразователю на печатной плате 89. Для сборки индуктивного датчика и крепления его в теле измерительного блока 5 использовано сборочное кольцо 91 и стягивающие винты 92, равномерно расположенные по окружности кольца 91. Сборочное кольцо 91 выполнено из нержавеющей стали. Диаметры катушек индуктивности 87 должны быть в 2-3 раза меньше диаметра отверстия для установки индуктивного датчика в измерительном блоке 5 и внутреннего диаметра сборочного кольца 91 для исключения снижения добротности катушек за счет шунтирования металлическими частями измерительного блока 5. В желобе 52 измерительного блока 5 проходят кабели 62, соединяющие измерительные датчики блока 5 с блоком управления измерениями, сбора и преобразования измерительной информации (см. фиг.24).
S
X
OSC
Д
S
S
УП
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>U</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mi>У</mi><mi>В</mi><mi>Ч</mi></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>k</mi><mi>Д</mi></msub><mo>=</mo><mrow><mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><msub><mover accent="true"><mi>U</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mi>R</mi><mi>S</mi></mrow></msub></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow><mo>/</mo><mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><msub><mover accent="true"><mi>U</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mi>У</mi><mi>В</mi><mi>Ч</mi></mrow></msub></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow></mrow></mrow>
Двухкомпонентный диэлькометрический преобразователь может быть выполнен по схеме автогенераторного двухкомпонентного диэлькометрического преобразователя с индуктивным датчиком в последовательном колебательном контуре на основе автогенератора с инерционной стабилизацией амплитуды колебаний [Ананьев И.П. Патент РФ на изобретение №2361226, МПК8 G01R 27/26, G01N 27/02, заявлен 28.09.2007, зарегистрирован 10.07.2009]. Этот преобразователь (фиг.12) содержит усилитель колебаний высокой частоты 93 с управляемым усилением и линейной амплитудной характеристикой, в выходную цепь которого включен делитель, состоящий из последовательного колебательного контура 94 с индуктивным датчиком 95 и заземленного резистора R 96. Возбуждение колебаний обеспечивается петлей положительной обратной связи с выхода 97 делителя, имеющего максимальный модуль коэффициента передачи на частоте автоколебаний, на вход 98 усилителя 93. Удержание колебаний на линейном участке амплитудной характеристики усилителя 93 осуществляется каналом инерционной стабилизации амплитуды колебаний 99, в котором аналогично каналу инерционной стабилизации 79 на фиг.9 выходное напряжение
усилителя 93 подают на вход канала 100, детектируют амплитудным детектором, сравнивают с опорным напряжением, а сигнал рассогласования усиливают и подают на вход управления усилением 101 усилителя 93. Характеристика управления усилением усилителя 93, полярности включения амплитудного детектора, опорного напряжения и усилителя сигнала рассогласования выбраны такими, что в системе осуществляется отрицательная обратная связь по огибающей амплитуд колебаний. Опорное напряжение задает амплитуду высокочастотных колебаний в установившемся (стационарном) режиме на линейном участке амплитудной характеристики усилителя 93. Благодаря инерционной стабилизации амплитуды колебаний на линейном участке амплитудной характеристики усилителя 93 отсечка колебаний исключается, и положительная обратная связь через делитель 94-96 полностью компенсирует потери в колебательном контуре для мгновенных значений напряжения колебаний в течение всего периода колебаний. Поэтому частота автоколебаний при отсутствии фазового сдвига колебаний в усилителе 93 определяется только собственной резонансной частотой колебательного контура без потерь, что позволяет измерить индуктивность L по частоте колебаний с исключением влияния потерь контура и, соответственно, вычислить ε' материала с исключением влияния электропроводности σ материала. Следует отметить, что такая избирательность справедлива только для схемы автогенератора с последовательным колебательным контуром и не выполняется для схем с параллельным колебательным контуром, чем и определился выбор схемы автогенератора с последовательным колебательным контуром. Двумя выходными информативными параметрами автогенераторного двухкомпонентного диэлькометрического преобразователя служат частота автоколебаний f на выходе автогенератора (Вых.1 на фиг.12) и модуль коэффициента передачи k делителя колебательный контур 94 - сопротивление R 96, равный отношению модулей напряжений на резисторе R (Вых.2) и на выходе 102 усилителя 93 (Вых.1):
. Кроме того, вторым выходным информативным параметром может служить напряжение управления усилением U усилителя 93 (Вых.2').
OSC
Д
S
К
S
i
CP
При наличии фазового сдвига в усилителе колебаний компонент ε' КДП и электропроводность σ исследуемого материала могут быть найдены по градуировочной сетке линий равной диэлектрической проницаемости ε' и равной электропроводности σ, построенной в координатах информативных выходных параметров автогенераторного двухкомпонентного диэлькометрического преобразователя. На фиг.13 представлены расчетные градуировочные характеристики автогенераторного ДДП с индуктивным датчиком, выполненного по функциональной схеме фиг.12: двухкоординатное поле значений частоты автоколебаний f и модуля коэффициента передачи k делителя последовательный колебательный контур - резистор R в зависимости от действительного компонента ε' КДП и электропроводности σ почвы. В расчете рассматривались две последовательно включенные катушки, расположенные вблизи поверхностей боковых стенок измерительного блока 5, с общей индуктивностью в воздухе 1,1 мкГн, емкость колебательного контура 94 выбрана из условия резонанса в воздухе на частоте 20 МГц и равна C=58,2 пФ, резистор 96 делителя имеет сопротивление R=13 Ом, внутреннее выходное сопротивление усилителя 93 равно R=7 Ом, в качестве управляемого усилителя 93 рассматривался усилитель AD8367 с полосой пропускания 500 МГц. Эквивалентная частота среза частотной характеристики усилителя автогенератора с учетом дополнительного фазоинвертирующего усилителя и буферного усилителя-повторителя МАХ 4184, определяющая фазовый сдвиг колебаний, равна f=150 МГц. Расчетные формулы приведены в автореферате диссертации [Ананьев И.П. Автогенераторные измерительные преобразователи двухкомпонентной диэлькометрии сельскохозяйственных материалов. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. Санкт-Петербург, 2009 г.].
Из сравнения градуировочных характеристик автогенераторного двухкомпонентного диэлькометрического преобразователя с емкостным датчиком (фиг.10) и с индуктивным датчиком (фиг.13) видно, что преобразователь с индуктивным датчиком обладает существенно меньшей чувствительностью к действительному компоненту ε' КДП. Однако достоинством индуктивных датчиков является бесконтактность измерений, что полностью исключает погрешности измерений, связанные с существованием двойного электрического слоя на границах поверхности электродов емкостных датчиков с почвой.
В важной частной форме воплощения устройства - при использовании в измерительном блоке контактного датчика температуры почвы 6-2, отличие предлагаемого устройства от прототипа состоит в том, что этот датчик выполнен (фиг.14) в виде двух одинаковых установленных соосно заподлицо с боковыми стенками измерительного блока 5 круглых теплоприемников 103, теплоизолированных от металлического корпуса измерительного блока двумя симметричными диэлектрическими кольцевыми вставками 104. Теплоприемники 103 выполнены из нержавеющей стали. В теплоприемники вмонтированы термочувствительные измерительные преобразователи 105, подключенные к блоку управления измерениями, сбора и преобразования измерительной информации (фиг.25). Теплоприемники 103 крепятся изнутри к кольцевым теплоизолирующим вставкам 104 винтами 106. Для сборки датчика температуры 6-2 и его крепления в корпусе измерительного блока 5 использовано сборочное кольцо 107 из нержавеющей стали и стягивающие винты 108, равномерно расположенные по окружности кольца 107. Для подключения термочувствительных преобразователей 105 к блоку управления измерениями, сбора и преобразования измерительной информации использованы кабели, проходящие по каналу 109 в теплоизолирующих вставках 104, отверстию 110 в измерительном блоке 5 (кабели на фиг.14 не показаны) и по желобу 52 измерительного блока 5, служащему для укладки соединительных кабелей 111. Термочувствительные измерительные преобразователи 105, установленные в теплоприемниках 103, расположены на правой и левой боковых сторонах измерительного блока 5, подключены к блоку управления измерениями, сбора и преобразования измерительной информации независимо друг от друга (105 на фиг.24) и используются как два отдельных датчика температуры.
В качестве термочувствительных измерительных преобразователей 105 могут использоваться, например, кремниевые полупроводниковые преобразователи с положительным температурным коэффициентом TD-5 компании Honeywell (США). Градуировочные характеристики в виде зависимости температуры преобразователя от их сопротивления для двух преобразователей, установленных в датчике температуры 6-2 измерительного блока 5, приведены на фиг.15. Эти характеристики позволяют вычислить температуру преобразователя по измеренным значениям его сопротивления. На графиках точки соответствуют значениям сопротивления термочувствительных элементов, измеряемых при градуировке универсальным вольтметром В7-40 с погрешностью 0,1 Ом, и значениям температур, задаваемых с использованием прецизионного термостата фирмы ERTCO (США) и контролируемых образцовым термометром ЛТ-300 с погрешностью 0,05°C. Линии - регрессионные градуировочные зависимости, представленные полиномами второй степени, для преобразователя на фиг.15 слева и преобразователя справа имеют вид:
t
t
t
2
2
R=1853,95+6,97673·t+0,00823214·t; R=1862,96+6,49107·t+0,01185·t, где R - сопротивление преобразователя, Ом; t - температура, °C.
Основная статическая погрешность определения температуры датчиком температуры 6-2 с учетом такой градуировки составляет около 0,2°C, а с учетом погрешности преобразования в микроконтроллере блока управления измерениями, сбора и преобразования измерительной информации - около 0,3°C.
Особенность определения температуры почвы по показаниям датчиков температуры 6-2 при движении мобильного устройства по полю состоит в том, что помимо статической погрешности датчиков температуры, определяемой для неподвижных датчиков, проявляются две составляющие динамической погрешности, одна из которых вызвана нагревом теплоприемников 103 и термочувствительных измерительных преобразователей 105 при движении за счет трения о почву, а вторая обусловлена инерционностью датчика, приводящей к сглаживанию показаний в случае быстрого временного изменения температуры почвы в области контакта с датчиком по трассе движения.
H
Н
П
Н
П
Н
Н
П
Составляющая динамической погрешности, вызванная нагревом теплоприемников 103 и термочувствительных измерительных преобразователей 105 при движении за счет трения о почву, растет с увеличением скорости движения и зависит от влагосодержания, плотности сложения и гранулометрического состава почвы. Она может быть экспериментально определена по следующей методике. Заявляемое мобильное устройство перемещают по полю при заданной глубине установки датчиков и при заданной скорости, для которой требуется определить эту составляющую динамической погрешности, в течение времени, достаточного для установления стационарного значения приращения температуры датчика 6-2 за счет трения о почву ΔT (это время легко найти экспериментально после нескольких проездов). При этом ведут непрерывную запись показаний температуры датчиков (периодичность записи должна быть 0,5-2 с). По истечении этого времени устройство останавливают и продолжают запись и наблюдение за изменением показаний температуры. Поскольку после остановки устройства нагрев за счет трения прекращается, происходит апериодический процесс остывания датчиков (теплоприемников 103 с преобразователями 105) с постепенным снижением температуры от стационарной температуры нагретого трением датчика T до температуры окружающей почвы T (фиг.16, а). Разница показаний температуры нагретого трением датчика T и остывшего до температуры почвы T после остановки устройства является первой составляющей динамической погрешности: ΔT=T-T.
Д
Следует отметить, что поскольку датчик температуры обладает тепловой инерцией и в контакте с почвой может рассматриваться как апериодическое звено первого порядка с постоянной времени τ, процесс изменения температуры датчика T при остывании описывается формулой:
<mrow><msub><mi>T</mi><mi>Д</mi></msub><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>Δ</mi><mi>H</mi></msub><mi>T</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><msup><mi>e</mi><mrow><mo>−</mo><mfrac><mi>t</mi><mi>τ</mi></mfrac></mrow></msup><mo>+</mo><msub><mi>T</mi><mi>П</mi></msub><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>Т</mi><mi>Н</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>Т</mi><mi>П</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><msup><mi>e</mi><mrow><mo>−</mo><mfrac><mi>t</mi><mi>τ</mi></mfrac></mrow></msup><mo>+</mo><msub><mi>Т</mi><mi>П</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>Т</mi><mi>П</mi></msub><mrow><mo>[</mo><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>Т</mi><mi>Н</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>Т</mi><mi>П</mi></msub></mrow></mfrac><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><msup><mi>e</mi><mrow><mo>−</mo><mfrac><mi>t</mi><mi>τ</mi></mfrac></mrow></msup><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>.</mo></mrow>
Н
П
H
Апериодический характер процесса остывания позволяет найти постоянную времени τ датчика в контакте с почвой по кривой остывания датчика известными приемами: по касательной к экспоненциальной кривой или по спаданию кривой до уровня, равного 0,368 от разности T-T (см. фиг.16, а). На фиг.16, б приведены экспериментально полученные кривые апериодического процесса охлаждения одного из датчиков температуры (правого по направлению движения) при остановке после движения датчика на глубине 200 мм по полю многолетних трав и полю без растений с указанными на графике скоростями в течение 180 с. Из графиков следует, что динамическая погрешность от трения на поле без растений составила 1,9°C при скорости движения 1,8 м/с. Для поля многолетних трав при скорости движения 1,7 м/с эта погрешность составила 2,2°C. Инерционность датчика температуры, находящегося в контакте с почвой и характеризуемая постоянной времени τ апериодического процесса убывания температуры при остывании после остановки, определена графически и составляет 30…60 с. Поэтому для установления стационарного значения приращения температуры датчика ΔT за счет трения о почву при заданной скорости движения достаточно движения по полю в течение 180 с перед остановкой для измерения апериодического процесса остывания, что по крайней мере в три раза превышает τ.
Составляющая динамической погрешности от трения может быть учтена в виде поправок при обработке результатов измерений. В процессе картирования и полевых измерений остановки для определения этой погрешности могут производиться с определенной периодичностью для повышения точности измерений. Кроме того, может быть специально исследована зависимость этой погрешности от скорости движения, влагосодержания почвы и сопротивления горизонтальной пенетрации с использованием показаний датчиков заявляемого устройства. Полученная информация может быть использована для автоматического введения поправок за счет трения о почву в измеренные в движении значения температуры без остановки мобильного устройства. В результате можно получить погрешность измерения температуры почвы в движении, не превышающую 0,5-1°C, что значительно превышает точность измерения температуры почвы инфракрасными радиационными термометрами, показания которых существенно зависят от отражательной способности почвы.
Вторая составляющая динамической погрешности, определяемая тепловой инерционностью датчиков и приводящая к сглаживанию показаний при быстром временном изменении температуры почвы по трассе движения, будет проявляться, когда период изменения температуры почвы в области контакта с датчиком температуры по трассе движения меньше чем (2…3)τ. В этом случае для уменьшения или исключения второй составляющей погрешности следует уменьшить скорость движения по полю при измерениях.
В частной форме реализации устройства - при использовании в измерительном блоке 5 датчика сопротивления горизонтальной пенетрации 6-4 (фиг.1, фиг.2), отличие устройства от прототипа состоит в том, что датчик сопротивления горизонтальной пенетрации (фиг.17) имеет металлический чувствительный элемент 112 (фиг.17, фиг.18) с симметрично выступающими за стенки измерительного блока 5 приемниками давления 113, которые выполнены предпочтительно в форме трехгранных прямых призм с поперечными к направлению движения НД ребрами и с воспринимающими давление почвы гранями, расположенными под тупым углом к направлению движения устройства. Чувствительный элемент 112 установлен в корпусе измерительного блока 5 с возможностью продольного смещения под действием давления почвы на приемники давления 113 при движении устройства в пахотном слое почвы. Датчик пенетрации 6-4 имеет также преобразователь силы в электрический сигнал 114, состоящий из нагрузочной Z-образной балки 115 и тензочувствительного элемента 116. Чувствительный элемент 112 датчика пенетрации 6-4 соединен с нагрузочной Z-образной балкой 115 тягой 117, вызывающей растяжение балки 115 под действием давления почвы на приемники давления 113. Растяжение балки 115 сопровождается обратимым смещением чувствительного элемента 112 в направлении действия давления почвы на приемники давления 113 (вправо на фронтальном виде фиг.17), которое не превышает 1 мм. Для обеспечения смещения чувствительного элемента 112 с удержанием его в продольной плоскости симметрии устройства он подвижно установлен на двух параллельных направляющих шпильках 118-1, 118-2, смазанных консистентной смазкой. Тяга 117 и винт 119, с помощью которого нагрузочная балка 115 закреплена в корпусе 120 датчика 6-4, имеют головки со сферической внутренней поверхностью, что необходимо для скольжения с учетом углового смещения тяги и винта при нагрузочной деформации Z-образной балки 115. Зазор 121 чувствительного элемента 112 с боковыми стенками датчика 6-4 заполнен эластичным силиконовым герметиком. Входные и выходные цепи тензочувствительного элемента 116 по кабелю 122, уложенному в желобе 52 измерительного блока 5 и передней стойки 12 устройства (фиг.6), соединены с блоком управления измерениями, сбора и преобразования измерительной информации (фиг.24). Для предохранения нагрузочной Z-образной балки 115 от поломки при нагрузках, значительно превышающих допустимые, использован предохранительный штифт 123, установленный на резьбе с возможностью регулировки предохранительного зазора между головкой тяги 117 и этим штифтом. При превышении нагрузки на чувствительный элемент 112 тяга 117 упирается в предохранительный штифт 123 и дальнейшее растяжение балки 115 под действием давления почвы на приемники давления 113 прекращается. Для монтажа датчика сопротивления горизонтальной пенетрации 6-4 в измерительный блок 5 производят предварительную установку в корпус 120 датчика чувствительного элемента 112 путем введения в него и завинчивания направляющих шпилек 118-1, 118-2, установку преобразователя силы в электрический сигнал 114 креплением его тягой 117 и винтом 119, регулировку начального положения чувствительного элемента 112 на направляющих шпильках 118-1, 118-2 шлицом винтовой головки тяги 117, регулировку предохранительного зазора штифтом 123. Затем корпус 120 с установленными элементами вводят в корпус измерительного блока 5, продевая кабель 122 преобразователя 114 в отверстие в корпусе 5 и смазывая эластичным силиконовым герметиком рабочие зазоры 121. Для крепления датчика 6-4 в измерительном блоке 5 использована металлическая крышка 124 и винты 125.
Т
П
2
В качестве преобразователя силы в электрический сигнал 114 может быть использован тензометрический преобразователь YZ101BH фирмы YOUNGZON TRANSDUCER СО. LTD (Тайвань), имеющий диапазон измерения 0-200 кг, чувствительность 2 мВ на 1 В питающего напряжения при нагрузке 200 кг, общую погрешность измерения менее 0,02%, напряжение питания 5-12 В постоянного или переменного тока, входное сопротивление 400±20 Ом, выходное сопротивление 350±3 Ом, безопасную перегрузку до 300 кг. Градуировочные зависимости датчика сопротивления горизонтальной пенетрации, полученные на стенде в виде зависимости выходного напряжения тензометрического преобразователя U при напряжении питания 10 В от силы сопротивления пенетрации F, приложенной к воспринимающим призмам 113 чувствительного элемента 112 датчика 6-4 в направлении, соответствующем давлению почвы при движении, представлены на фиг.19. Сплошная линия на графике соответствует нагрузочной градуировочной кривой (постепенное увеличение силы), точки - разгрузочной градуировочной кривой (постепенное уменьшение силы). Максимальное усилие 152 кг, приложенное к чувствительному элементу датчика (масса растягивающего груза), соответствует давлению почвы на призматические воспринимающие элементы 19 кг/см, перекрывающему диапазон возможных давлений пенетрации для почв сельскохозяйственного использования.
Датчик сопротивления горизонтальной пенетрации работает следующим образом. При введении измерительного блока 5 на заданную глубину измерения (пп.1, 2, 3 формулы изобретения) блок 5 движется в почве вдоль щели, создаваемой ножом-щелерезом 4 (фиг.1, фиг.2) и по ширине равной толщине измерительного блока. Вследствие движения почва давит на приемники давления 113 в направлении, противоположном направлению движения. Это давление стремится сместить чувствительный элемент 112 против направления движения и, воздействуя на тягу 117, вызывает деформацию растяжения нагрузочной Z-образной балки 115 и появление выходного напряжения тензочувствительного элемента 116, которое поступает в блок управления измерениями, сбора и преобразования измерительной информации (фиг.24). Особенность измерения сопротивления горизонтальной пенетрации датчиком 6-4 состоит в том, что он измеряет сопротивление пенетрации почвы, предварительно уплотненной ножом-щелерезом. Поэтому необходимо сопоставление получаемой информации с данными обычного вертикального конусного пенетрометра (хотя такое сопоставление необходимо и для любых горизонтальных пенетрометров). В то же время использование ножа-щелереза обеспечивает надежную защиту датчика пенетрации 6-4 от поломок при наезде заявляемого устройства на камни.
Развитием частной формы реализации устройства с датчиком сопротивления горизонтальной пенетрации является устройство, в котором этот датчик совмещен с датчиком измерения электрофизических характеристик почвы, уплотненной при движении датчиком сопротивления горизонтальной пенетрации. Это устройство отличается от прототипа тем, что датчик сопротивления горизонтальной пенетрации выполнен аналогично датчику (фиг.17), но в отличие от него имеет приемники давления 126 чувствительного металлического элемента 127 датчика сопротивления горизонтальной пенетрации, выполненные (фиг.20) в форме четырехгранных прямых призм с поперечными к направлению движения ребрами и с трапецеидальным сечением в горизонтальной плоскости. При этом грани призм, воспринимающие давление почвы, расположены под тупым углом к направлению движения устройства, а в грани, параллельные боковым стенкам измерительного блока 5, через изоляторы 128 заподлицо врезаны потенциальные электроды 129 датчика измерения электрофизических характеристик почвы, уплотненной при движении датчиком сопротивления горизонтальной пенетрации. Для крепления этого датчика в теле чувствительного металлического элемента 127 использованы металлические кольца 130 и винты 131. Датчик выполнен симметричным и образован потенциальными электродами 129, изоляторами 128 и металлическим корпусом чувствительного элемента 127. Обе половины датчика через выводы 132 потенциальных электродов 129 и выводы 133 металлического корпуса чувствительного элемента 127 подключены к измерительному преобразователю электрофизических характеристик почвы, уплотненной при движении датчиком сопротивления горизонтальной пенетрации, расположенному в желобе 52 измерительного блока 5 (на фиг.17, 20 не показан), а выход этого преобразователя соединен с блоком управления измерениями, сбора и преобразования измерительной информации (на фиг.24 этот датчик и преобразователь не показаны).
Основным назначением датчика сопротивления горизонтальной пенетрации, совмещенного с датчиком измерения электрофизических характеристик почвы, уплотненной при движении датчиком сопротивления горизонтальной пенетрации, является получение информации для сравнения диэлектрических характеристик почвы, измеренных емкостным датчиком 6-1 (действительного и мнимого компонентов комплексной диэлектрической проницаемости, электропроводности и влажности почвы, фиг.6), с диэлектрическими характеристиками, измеренными при дополнительном уплотнении почвы приемниками давления 126 датчика сопротивления горизонтальной пенетрации (фиг.20). В этом случае датчик, установленный на чувствительном элементе 127 датчика сопротивления горизонтальной пенетрации, используют как емкостный и подключают к таким же двухкомпонентным диэлькометрическим преобразователям, как и датчик 6-1 (фиг.8-10, п.7-9 формулы изобретения). Поскольку уплотнение почвы вызывает уменьшение доли воздушной фазы в почве при практически неизменных долях твердой и жидкой фаз, то из построения и рассмотрения моделей диэлектрической проницаемости, электропроводности и влагосодержания почв в неуплотненном и уплотненном состоянии можно вычислить электропроводность почвенной воды, характеризующей общее содержание растворенных элементов минерального питания в почве. На основе этих измерений может быть построена карта, позволяющая выявить и количественно оценить дефицит минерального питания посевов, что имеет важное хозяйственное значение. Другим назначением датчика сопротивления горизонтальной пенетрации, совмещенного с датчиком измерения электрофизических характеристик почвы, уплотненной при движении датчиком сопротивления горизонтальной пенетрации, является получение информации для разработки способов мониторинга структуры, гранулометрического состава и твердости почв. В этом случае датчик может использоваться для измерений на низких и высоких частотах электромагнитного поля, для исследования линейных и нелинейных электрофизических характеристик почв.
Несмотря на оснащение заявляемого в качестве изобретения устройства приемником системы геопозиционирования и бортовым компьютером для регистрации измерительной информации и картирования (п.1 формулы изобретения), которые обеспечивают определение географических координат и скорости движения устройства, оно снабжено также автономным датчиком скорости движения и пройденного пути. Это расширяет функциональные возможности устройства, позволяя использовать его в экспериментальных полевых работах, когда картирования не требуется, а достаточно измерения агротехнологических параметров в отдельных проходах по полю или когда приемник системы геопозиционирования не может быть использован.
В частном случае реализации предлагаемого устройства датчик скорости движения и пройденного пути (фиг.21) выполнен в виде цилиндрического мерного колеса 134 из немагнитного материала, установленного на подпружиненной вилке 135 в задней части опорной лыжи 3 с обеспечением контакта колеса с поверхностью почвы, для чего в задней части лыжи сделан вырез по ширине колеса. Вал 136 колеса 134 закреплен в подшипниках 137 на вилке 135. Вилка 135 сочленена с лыжей шарнирной опорой 138, расположенной с верхней стороны лыжи. Для прижатия мерного колеса 134 к почве использованы стойки 139, ввинченные в тело лыжи и проходящие через отверстия в вилке 135. Стойки 139 выполнены в форме болтов с выступающими над вилкой 135 головками, между которыми и верхней поверхностью вилки 135 зажаты пружины 140, прижимающие мерное колесо 134 при движении устройства к поверхности почвы. Для ограничения смещения мерного колеса 134 под подошву лыжи использован ограничительный болт 141, ввинченный снизу в подпружиненную вилку 135 с зазором между головкой болта 142 и верхней поверхностью лыжи при контакте колеса с плоскостью, совпадающей с подошвой лыжи. Позади колеса на вилке 135 расположен нож-скребок 143 для очистки мерного колеса 134 от налипающей почвы. С внутренней стороны обода колеса 134 вдоль образующей цилиндра вставлен стержневой постоянный магнит (на фиг.21 не показан), намагниченный вдоль оси стержня, а в поле действия магнита на вилке 135 установлен геркон 144, подключенный к блоку управления измерениями, сбора и преобразования измерительной информации (фиг.24). Винты 145 служат для крепления кожуха, закрывающего сверху датчик скорости движения и пройденного пути (на фиг.21 не показан).
В альтернативной форме реализации предлагаемого устройства датчик скорости и пройденного пути (фиг.22) выполнен в виде мерного колеса 146 диаметром 40-70 см, установленного на шарнирной вилке 147 в задней части несущей рамы 1 (фиг.1, фиг.2) в продольной плоскости устройства (позиция Поз. 1 на фиг.22). На колесе между осью 148 и ободом 149 размещен по крайней мере один постоянный магнит 150, а на вилке 147 закреплен геркон 151, взаимодействующий с магнитом 150 при вращении колеса и подключенный к блоку управления измерениями, сбора и преобразования измерительной информации (фиг.24). На вилке 147 может быть установлен дополнительный груз 152 для улучшения сцепления мерного колеса 146 с почвой при движении. Шарнирную вилку с мерным колесом в нерабочем положении устанавливают в вертикальное положение (позиция Поз. 2 на фиг.22) и закрепляют фиксатором 153.
Еще одно отличие общей формы воплощения устройства от прототипа состоит в том, что оно снабжено соединенными с несущей рамой 1 опорными стойками 154 (фиг.23), выполненными с возможностью установки их в вертикальное положение при отсоединении устройства от средства передвижения 2 (фиг.1) и хранении и имеющими длину, обеспечивающую вертикальное положение устройства без касания ножом-щелерезом 4 и измерительным блоком 5 опорной поверхности для их защиты от поломок и упрощения сочленения устройства со средством передвижения 2 с помощью жесткой сцепки 23. При этом стойки 154 выполнены с возможностью переустановки их и фиксации в горизонтальном положении (фиг.2, фиг.3) после сцепки устройства со средством передвижения 2 для проведения измерений в движении.
Блок управления измерениями, сбора и преобразования измерительной информации, функциональная схема которого представлена на фиг.24, содержит микроконтроллер 155, к входам которого подключены датчики измерительного блока 6 (фиг.6): емкостный датчик 6-1, подключаемый через двухкомпонентный диэлькометрический преобразователь 156 (см. фиг.9), датчик температуры 6-2, тензометрический датчик 6-4, а также геркон 144 расположенного на опорной лыже (фиг.21, поз.144) или на вилке 147 (фиг 22, поз.151) датчика скорости движения и пройденного пути. Оптический датчик 6-3 внутрипочвенной видимой - ближней ИК спектроскопии с помощью оптического кабеля 44 подключен к спектрофотометру 157, выход которого непосредственно связан с бортовым компьютером 10. При использовании в заявляемом устройстве датчика сопротивления горизонтальной пенетрации, совмещенного с датчиком измерения электрофизических характеристик почвы, уплотненной при движении этим датчиком, емкостные датчики 129 (фиг.20) с помощью выводов 132, 133 также должны быть подключены к микроконтроллеру 155. Кроме того, при использовании в устройстве тензометрического датчика 28 давления на опорную лыжу (фиг.4), аналогичного тензометрическому преобразователю 116 датчика 6-4, он также должен быть подключен к микроконтроллеру 155. Микроконтроллер предназначен для представления в цифровой форме получаемой от измерительных датчиков заявляемого устройства информации и передачи ее в бортовой компьютер 10 трактора, совмещенный с приемником системы геопозиционирования и навигации 158 и антенной 11.
OSC
П5
П6
Частота колебаний f автогенераторного преобразователя 156 (вход К1 контроллера 155) определяется в контроллере по числу импульсов за отрезок времени, задаваемый таймером. Для питания термочувствительных измерительных преобразователей 105 датчика температуры 6-2, включенных последовательно, использован ток возбуждения, снимаемый с вывода К3, который регулируется резистором 159. Напряжения на преобразователях 105, зависящие от температуры, измеряются микроконтроллером 155 на выводах К4, К5, К6. Напряжение питания U моста 116 тензометрического датчика 6-4 измеряется контроллером с помощью резистивного делителя 160, 161. Замыкание геркона 144 на фиг.21 (151 на фиг.22) датчика скорости и пройденного пути приводит к замыканию нижнего плеча резистивного делителя 162, 163, питаемого напряжением U, что вызывает импульсы напряжения на вводе К12 контроллера при движении устройства.
Питание узлов микроконтроллерного блока управления измерениями, сбора и регистрации измерительной информации, а также спектрофотометра, бортового компьютера и приемника системы геопозиционирования и навигации осуществляется от блока питания 164, использующего тракторный или автономный аккумулятор 165.
Микроконтроллер связан с компьютером посредством интерфейса RS232. Данные передаются в компьютер в виде последовательности символов в шестнадцатеричной системе. Контроллер мобильного устройства выполняет измерения в двух режимах: однократно по команде от управляющей программы на ПК в виде последовательности символов либо непрерывно с периодичностью около 1 секунды (возможна периодичность 0,5 с, 1,5 с, 2 с). Режим включается по команде от управляющей программы на ПК в виде последовательности символов. Выход из режима непрерывного измерения осуществляется выключением питания контроллера.
Для построения электронных карт измеряемых параметров система дополняется программой параллельного вождения, обеспечивающей индикацию заданного фиксированного расстояния между параллельными проходами, и программой построения электронных карт.