Беспроводное устройство для контроля работы форсунок сельскохозяйственного опрыскивателя
WIRELESS DEVICE FOR CONTROLLING OPERATION OF AGRICULTURAL SPRAYERS

Изобретение относится к сельскому хозяйству, а именно к  жидкостным опрыскивателям, специально приспособленным  для уничтожения сорняков, вредителей, внесения химических растворов различного назначения, а также мелкокапельного полива, в частности к устройствам для получения различного вида выпуска жидкости в распыленной форме в виде брызг через несколько выпускных отверстий.
Известен детектор типичного звука форсунки сельскохозяйственного опрыскивателя, содержащий сенсорную головку в виде L-образного рупорного устройства, которое закреплено на крышке сопла посредством паза, в который входит ребро байонетной гайки форсунки. Рупор предназначен для приема звука от распылительной форсунки и передачи его на микрофон. Центральный процессор принимает сигналы от каждого из датчиков по очереди и обрабатывает их для сравнения с заранее заданным калибровочным сигналом, для определения заблокированных или неисправных сопел. Выбор между двумя различными частотами может быть сделан для различных типов сопел. Система динамического усреднения использована для учета изменений, происходящих во всех соплах, которые не зависят от неисправности в сопле (Патент № US4905897. Опубл. 06.03.1990).
Однако в известном мониторе  использован акустический принцип, основанный на распознавании звуков, характерных для нормально работающей либо забитой форсунки. Известный монитор (устройство)  имеет  сложную  конструкцию  звукоприемника  (в  частности,  L-образный  звуковод),  что  усложняет  изготовление  компактного  и защищенного  от  внешнего  воздействия  устройства.  Его  установка  требует прокладки  кабельной  линии  с  сигнальными  проводниками  по  количеству датчиков, установленных на крыле опрыскивателя. Кроме того, при установке  множества датчиков требуется изготовление герметично исполненной косы под конкретный тип опрыскивателя либо применение разъемных соединений с повышенной степенью защищенности от воздействия влаги и химических реактивов.  Применение  проводного  подключения  влечет  за  собой  риск обрыва  кабеля  с  последующим  выходом  из  строя всей  системы  контроля  работы форсунок или ее отдельного сегмента. В случае повреждения кабеля невозможен  оперативный  качественный  ремонт  системы,  что  связано  с необходимостью  надежной  герметизации  соединений  для защиты  от воздействия агрессивной окружающей среды.
Известен акустический расходомер, имеющий чувствительный элемент, предназначенный для съемного закрепления на внешней поверхности трубы, который реагирует на ультразвуковые колебания, возникающие при движении жидкости в магистрали. Сигнал от элемента датчика фильтруется, частотно-избирательно усиливается и интегрируется, выход используется для работы средств индикации и различных типов устройств с релейным приводом. В одном варианте осуществления элемент датчика представляет собой пьезоэлектрическую пластину и амплитудно-частотные характеристики схемы, включающей элемент датчика, задаются такими, чтобы быть достаточно однородными в широком диапазоне частот, лежащем от верхней части звукового диапазона до, по меньшей мере, 100 кГц. В одной из модификаций этого элемента датчик предназначен для реагирования на относительно узкую полосу частот, значительно превышающую звуковой диапазон, на которую специально настроена схема усилитель-интегратор (Патент № US3580092. Опубл. 25.05.1971).
Однако в  известном акустическом расходомере  использован акустический  принцип,  в  частности,  основанный  на  регистрации возникающих  при  смешивании  жидкой  и  газовой  среды  ультразвуковых колебаний.  Упомянутый выше расходомер  неприменим  для  контроля  работы  форсунок  в  силу  сложности  конструкции, предусматривающей  необходимость  наличия  звуковой  камеры  и  слабой защищенности  звуковоспринимающего элемента от  негативного  воздействия  агрессивной окружающей среды, а  его установка требует прокладки кабельной линии, с указанными выше недостатками такого решения.
Известно устройство и инструмент для контроля распыления, в котором культиватор или борона, оснащены распылителями жидкости, установленными на стреле, проходящей по ширине орудия. Рядом с каждым опрыскивателем расположено контрольное устройство, сигнализирующее о неисправности опрыскивателей. Контрольное устройство включает в себя диэлектрический корпус, имеющий верхний держатель для проволочного зонда и съемную нижнюю крышку, которая является полой и имеет открытый нижний конец. Крышка имеет внутреннюю камеру и внешнюю юбку. Зонд проходит через камеру и выходит из нижнего конца в положение, близкое к внешнему краю рисунка распыления. Предпочтительно, чтобы нижняя часть зонда была изогнута и проходила в направлении распыляемой жидкости. Каждый зонд связан с соответствующим световым индикатором, установленным на блоке управления (Патент № US4193356. Опубл. 18.03.1980).
Однако  в известном  изобретении применен  кондуктометрический принцип,  в  частности,  основанном  на  регистрации  электрической проводимости  между  жидкостью  в  магистрали  и  факелом  форсунки. Применимость  известного технического решения  ограничена  областью  внесения  жидких удобрений,  поскольку  сам  принцип  действия  предусматривает  наличие непрерывного  потока  жидкости  (струи)  в  то  время,  как  форсунки современных сельскохозяйственных опрыскивателей (в силу необходимости экономии воды и высокой эффективности реактивов различного назначения)  формируют мелкодисперсную воздушно-водяную смесь. Кроме того, известное изобретение требует прокладки кабеля, что усложняет всю конструкцию и имеет недостатки указанные в ранее рассмотренных устройствах.
Известна система для измерения расхода электропроводящей жидкости через сопло, представляющее собой одну сторону электрической чувствительной цепи. Проводящий зонд расположен рядом с соплом и вставлен в распылитель. Зонд установлен на зажиме, расположенном на внутренней стороне защитного кожуха. Зонд расположен в нижней части корпуса. Кроме того система оснащена переключателем, индикаторной лампой. При этом переключатель выполнен в виде транзистора, имеющим возможность управления светоизлучающим диодом (Патент № US 4084748. Опубл. 18.04.1978).
Однако для известного изобретения характерны вышеописанные недостатки, оно требует прокладки кабеля и имеет сложную конструкцию.
Известен способ определения расхода жидкости для коллекторных питающих сопел, определяющий массовый расход жидкости из каждого из сопел на коллекторе сопел, при этом обеспечивается абсолютная методика калибровки. При этом в известном способе сконструированы сопла с ограничительными отверстиями для  подачи жидкости, поток которой регулируется блокирующим клапаном, масляный коллектор, маслобойные клапаны (Патент № US5297442. Опубл. 29.03.1994).
Однако в известном способе использовано   множество  форсунок, в корпусе, каждой из которых установлен  датчика  давления, для измерения давления жидкости в контролируемой форсунке и  последующее  сравнение  этого параметра  с  этим  же  параметром  работы  остальных  форсунок. Использование элементов конструкции в известном способе  требует  полной  замены  форсунок  на опрыскивателе  в случае модернизации уже имеющейся техники. Реализация известного способа  влечет  за  собой  необходимость  прокладки  кабеля  связи.
Известен монитор состояния сопла состоящий из немагнитного корпуса, имеющего правый верхний проход. Внутри канала расположен магнитный поршень, так как поток может проходить по бокам поршня. Стопоры расположены так, чтобы ограничивать ход поршня. Магнитный переключатель расположен вблизи одного конца верхнего правого канала, имеющий возможность закрытия при перемещении поршня. Средства обнаружения состояния магнитного переключателя предназначены для генерирования сигнала, свидетельствующего об адекватности протекания потока через сопло и, следовательно, о состоянии сопла (Патент № US4313111. Опубл. 26.01.1982).
Однако в известном мониторе при засорении форсунки цилиндр с магнитом под воздействием  давления  поднимается  и  вызывает  замыкание герметизированного  контакта.  Использование  известного монитора затруднено  в  силу  высокой  стоимости  модернизации  уже  имеющейся техники, поскольку предполагает замену всех штатных форсунок на новые и требует прокладки кабеля.
Известна сетевая система диагностики и управления дозирующим аппаратом сельскохозяйственного опрыскивателя, включающая в себя распылительные сопла для распыления агрохимикатов в соответствии с заданной схемой распыления и расходом раствора; датчики вибрации, установленные на распылительном сопле сельскохозяйственного опрыскивателя с целью регистрации его вибрации. Система также включает в себя контрольное устройство с компьютерным процессором, связанным с датчиками вибрации. Контрольное устройство передает оператору информацию о текущем состоянии компонента сельскохозяйственной распылительной системы (сопла) на основе обнаруженных вибраций. Процессор также управляет каждым из компонентов, таким как распылительные сопла, для выборочного управления каждым из сопел или определенной группой сопел (Патент  № 7826930. Опубл. 2010.11.02 ).
Однако в известном изобретении в качестве датчика использован акселерометр либо пьезоэлемент, причем контролируемым параметром  является  микровибрация  форсунки  при  формировании воздушно-водяной  смеси.  Описанное в известном изобретении устройство  применимо  с  большими ограничениями  (на  стационарных  объектах),  поскольку  вибрации, регистрируемые  датчиком,  значительно  слабее  вибраций,  производимых опрыскивателем  при  работе. Кроме  того  реализация  данной  конструкции требует прокладки кабеля.
Известна  система контроля, содержащая лазер, установленный перед расшепителем,  фотодиоды, которые включены в цепь формирователей импульсов, инверторы, световую и звуковую сигнализацию, сушильную камеру, оснащенную прозрачными окнами (Авторское свидетельство SU620279. Опубл. 25.08.1978).
Однако известная система оснащена сложной конструкцией устройства контроля, выполненной, по меньшей мере, из двух составных  частей  (передающей  и  приемной  части),  между  которыми расположен факел форсунки, и  требует прокладки кабеля  связи между датчиком (датчиками) и контрольным устройством.
Известна схема фотоприемника для электронной системы (управления сельскохозяйственным опрыскивателем), позволяющей проводить обработку гербицидами только тех участков земли, на которых растут сорняки. Схема фотоприемника содержит фотоприемник и активный фильтр. Фотоприемник не связан параллельно с индуктивно-конденсаторным резонансным контуром, который настраивает активный фильтр. В результате изменения емкости фотоприемника, вызванные изменением условий окружающего освещения, не отражаются на резонансной цепи индуктивности/конденсатора и, следовательно, не оказывают отрицательного влияния на частотные и фазовые характеристики цепи фотоприемника (Патент № US5763873. Опубл. 09.06.1998).
Однако работа  устройства основана  на  детектировании  двух  отраженных  импульсных  световых  потоков  в  ИК-диапазоне  с  одинаковой  частотой,  но  сдвинутых  по  фазе, причем  степень  сдвига  фазы  отраженного  сигнала  зависит  от  наличия отражающего объекта, что делает его сложным в реализации и требует применения нескольких прецизионных оптических компонентов. Кроме того, требуется прокладка кабеля.
В исследуемом и проанализированном  уровне техники  не выявлено наиболее близких конструктивных решений заявленному изобретению.
Таким образом, описанные выше технические устройства имеют недостатки в виде:  сложных  конструкций,  низкой  степени  защищенности  чувствительных элементов,  высокой  стоимости  модернизации  оборудования  на действующих  опрыскивателях,  низкой  степени  надежности  регистрации факта  работы  форсунки  опрыскивателей,  потребности  в  использовании  проводного соединения.   Проводное  соединение,  в  свою  очередь,  приводит  к  рискам  обрывов кабеля,  приводящим  к  выходу  из  строя  всей  системы  или  ее  отдельных сегментов,  невозможности  оперативной  замены  неисправных  датчиков, невозможности оперативного изменения конфигурации системы (изменения  количества  датчиков,  участвующих  в  работе).  Кроме  того,  проводное соединение  может  потребовать  применения  разъемных  соединений,  что  в условиях  влажной  агрессивной  среды  неприемлемо  в  силу  быстрого электрохимического разрушения контактов разъемов.
Техническим результатом является возможность реализации достаточно простого в изготовлении и установке устройства для беспроводного удаленного контроля и выявления некачественной работы форсунок (сельскохозяйственного опрыскивателя), в основу которого положен оптический принцип  действия и использующего беспроводные виды связи, что позволяет избежать использования кабельных линий и разъемных соединений, обеспечивает возможность оперативной замены неисправных датчиков и изменения конфигурации системы контроля опрыскивателя.
Поставленный технический результат достигается тем, что беспроводное  устройство  для  контроля  работы  форсунок сельскохозяйственного  опрыскивателя выполнено      в  виде  герметичного  корпуса,  лицевая поверхность которого оснащена оптически активными поверхностями фотоизлучателей и фотоприемников, корпус, посредством  узла крепления зафиксирован на несущем элементе, соединенном посредством консоли с распылителем, оснащенным форсункой, при этом лицевая поверхность корпуса расположена параллельно осевой линии распылителя, кроме того внутри корпуса размещена печатная плата, на которой механической и электронной связями соединены микроконтроллер, радиомодуль,  один  или  несколько  фотоизлучателей  и  фотоприемников  ИК диапазона, автономный источник питания, антенна, модулятор, генераторы, формирователь логических уровней, элемент сравнения, элемент счета, радиомодуль, контрольный элемент, элемент индикации.
Целесообразно для уменьшения габаритов устройства и упрощения монтажа,  корпус  совместить с байонетной гайкой форсунки.
В варианте выполнения, для   компенсации влияния внешней засветки естественного или искусственного происхождения, оснастить устройство  оптическим сенсором, размещенном в корпусе устройства.
Настоящее изобретение поясняют подробным описанием и схемами, на которых:
Фиг. 1 – характеризует аппаратную реализацию беспроводного устройства контроля работы форсунок сельскохозяйственного опрыскивателя;
Фиг. 2  - показывает вариант исполнения устройства, совмещенного с байонетной гайкой форсунки опрыскивателя;
Фиг. 3 – показывает вариант исполнения устройства c дополнительным оптическим сенсором;
Фиг. 4 - показывает лицевую сторону корпуса с расположенными на ней фотоизлучателями, фотоприемниками и внутренним расположением электронных элементов;
Фиг. 5 – характеризует алгоритм работы электронной схемы, которую используют в беспроводном устройстве контроля работы форсунок сельскохозяйственного опрыскивателя.
Беспроводное устройство контроля работы форсунок сельскохозяйственного опрыскивателя (далее устройство) содержит герметичный  корпус 1(Фиг. 1). Лицевая поверхность корпуса 1 оснащена оптически активными поверхностями фотоизлучателя 2 с передаваемым световым потоком 3 и фотоприемника 4 с принимаемым световым потоком 5. Корпус 1, посредством  узла крепления 6 зафиксирован на несущем элементе 7. В качестве несущего элемента 7 может быть применено крыло жесткости, либо магистраль подачи раствора опрыскивателя. Несущий элемент 7 соединен посредством консоли 8 и байонетной гайки 9 с распылителем 10. Распылитель 10 оснащен форсункой 11. При этом лицевая поверхность корпуса 1 расположена параллельно осевой линии 12 распылителя 10 и форсунки 11. Осевая линия 12 совмещена с осевой линией 13  потока распыла 14.
В варианте исполнения устройство может быть конструктивно совмещено с байонетной гайкой 9 распылителя 10 (Фиг.2).
При этом, устройство может быть оснащено дополнительным оптическим сенсором 15 для компенсации внешней засветки и автоматического выбора режима работы устройства (Фиг. 3).
Кроме того внутри корпуса 1 размещена печатная плата 16 (Фиг. 4). На печатной плате 16 механической и электронной связями соединены микроконтроллер 17, радиомодуль 18,  один  или  несколько  фотоизлучателей 19  и  фотоприемников 20  ИК диапазона. Печатная плата 16 оснащена  автономным источником питания 21, антенной 22.
При этом электронная схема устройства включает  модулятор 23, генератор 24 и дополнительный генератор 25, формирователь 26 логических уровней, элемент сравнения 27, элемент счета 28, радиомодуль 29, радиоприемный модуль  30, элемент индикации 31.
Предлагаемое  беспроводное устройство для контроля работы форсунок сельскохозяйственного  опрыскивателя  используют следующим образом.
В основу использования положен оптический принцип действия.
Закрепляют на несущем элементе 7,  в виде магистрали подачи раствора, узел крепления 6 и консоль 8. Компонуют консоль 8, устанавливая соосно по оси 12 байонетную гайку 9, в которой закрепляют распылитель 10 с форсункой 11. На узле крепления 6 укрепляют герметичный корпус 1, предварительно оснастив его печатной платой 16, размещая последнюю внутри него. Перед тем как печатную плату разместить в корпусе 1 на ней компонуют, механически и электронно соединив в определенной последовательности,  такие элементы как: источник  питания 21, микроконтроллер 17, радиомодуль 18,  один  или  несколько  фотоизлучателей 19  и  фотоприемников 20  ИК диапазона, антенну 22. Кроме того электронную схему оснащают: модулятором 23, генератором 24 и дополнительным генератором 25, формирователем 26 логических уровней, элементом сравнения 27, элементом счета 28, радиомодулем 29, радиоприемным модулем 30, элементом индикации 31. При этом на лицевой стороне корпуса 1 размещают оптически  активные поверхности фотоизлучателя 2 ИК диапазона и фотоприемника 4 ИК диапазона. Лицевую поверхность корпуса 1 при установке размещают параллельно осевой линии 12, которая при распылении будет совмещаться с осевой линией 13 потока распыла 14.
При необходимости на лицевой поверхности корпуса 1 устанавливают дополнительный оптический сенсор 15 для компенсации внешней засветки и автоматического выбора режима работы устройства.
Принцип  действия  устройства  основан  на  сравнении  количества передаваемых  3 и  принимаемых 5  в  результате  отражения  от  распыла 14 (факела)  импульсов светового потока в ИК диапазоне за единицу времени.  Причем для  снижения  влияния  фоновой  засветки  естественного  или искусственного происхождения излучаемый световой поток 3 модулирован по частоте,  а  соответствующий  данному  излучателю  фотоприемник 4 снабжен активным фильтром, настроенным на ту же частоту.  Передаваемый  световой  поток  3  эмитируется  фотоизлучателем 2  ИК  диапазона, причем источником сигнала является модулятор 23, в котором происходит смешение сигнала несущей частоты, формируемого  генератором 24  и  сигнала  основной  импульсной  последовательности,  формируемой дополнительным  генератором 25.  При наличии отражающей поверхности в виде факела распыла 14, создаваемого форсункой 11 распылителя 10,  отраженный  световой  поток  5  попадает  на линзу фотоприемника 4. Затем, проходя через модулятор 22 усилителя  активного фильтра,  настроенного  на  несущую  частоту,  и  формирователь 26  логических уровней,  поступает на один из двух входов элемента сравнения 27 (элемент И). На второй вход элемента сравнения 27 подается сигнал с дополнительного генератора 25 основной  импульсной  последовательности.  В  случае  совпадения импульсов  с  обоих  входов  по  лог.  «1»  на  выходе  элемента  сравнения 27 формируется  импульс,  поступающий  на  вход  элемента  счета  28. Периодически  через  заданный  интервал  времени  происходит  обнуление состояния  элемента  счета  28  с  одновременной  записью  накопленного количества импульсов в память микроконтроллера 17 и последующей передачей этой величины посредством радиомодуля 29 на радиоприемный модуль 30, снабженный элементом индикации 31.  Количество  совпавших  импульсов  напрямую  коррелирует      с однородностью    распределения    воздушно-жидкостной  смеси  в  распыле 14, создаваемым форсункой 11 распылителя 10,  что  позволяет    надежно детектировать факт отсутствия распыла 14, либо его существенного искажения, возникающего в результате полного или  частичного засорения форсунки 11 распылителя 10.
Предлагаемое изобретение имеет простую конструкцию, удобно и просто в использовании, не требует прокладки кабеля.
Кроме того, обладает возможностью замены датчиков и оперативного изменения конфигурации системы опрыскивателя.