Автоматизированная система поточного измерения урожайности зерна
AUTOMATED SYSTEM FOR IN-LINE MEASUREMENT OF GRAIN YIELD

Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности к мониторингу урожайности при комбайновой уборке зерновых культур.
Известен поточный расходомер зерна серии «Шлейф» (http://plaun-s.ru/SenConsumption.html), входящий в систему автоматического увлажнения зерна «Плаун», представляющий собой лотковый расходомер с электронным преобразователем сигнала тензодатчика в сигнал интерфейса RS485 и компьютер с программным обеспечением для сбора и хранения данных.
Недостатком известного решения является сложность обработки сигнала тензодатчика, большая погрешность и отсутствие поточного измерителя влажности зерна.
Наиболее близким по технической сущности является автоматизированная система поточного измерения урожайности зерна патент RU 2670718 С9 МПК G01F 1/30, 2018 г., который выбран в качестве прототипа.
Недостатком известного устройства является высокая стоимость датчиков давления и недостаточная помехоустойчивость.
Техническая задачи заключается в повышении помехоустойчивости измерений в условиях сильных вибраций и снижения стоимости при комбайновой уборке зерновых культур.
Техническая задача достигается тем, что автоматизированная система поточного измерения урожайности зерна для технологии точного земледелия, включающая корпус, встраиваемый в падающий поток зерна, разветвитель потока, стабилизатор, измерительную камеру с датчиками влажности, температуры и натуры, лотковый расходомер с электронной системой компенсации налипшей пыли и обработки сигналов датчиков, отличающаяся тем, что измерительная часть лоткового расходомера зерна, выполнена в виде металлической струны, одним концом жестко закрепленной на стенке корпуса, а другим на противоположной его стороне креплением с возможностью ее натяжения, середина струны жестко связана с концом измерительного лотка, имеющего точку опоры на корпусе, образуя две независимые секции, в которых размещены две катушки возбуждения колебаний, подключенные к выходам двух усилителей колебаний, входами соединенных с выходами двух оптопар (фотоприемник-излучатель), размещенных в зоне их колебаний.
Изобретение поясняется чертежом.
На чертеже изображена принципиальная схема автоматизированной системы поточного измерения урожайности зерна при комбайновой уборке.
Автоматизированная система поточного измерения урожайности зерна для технологии точного земледелия содержит корпус 1, встраиваемый в верхней части загрузочного шнека бункера в падающий поток зерна, разветвитель потока 2, выполненный в виде наклонной плоскости для устранения кинематической энергии падающего зерна и отведения части зерна потока через стабилизатор потока 3 в измерительную камеру 4 с емкостным датчиком влажности 5, датчиком температуры зерна 6 и тензодатчиком натуры 7, измерительная часть лоткового расходомера общего потока зерна представляет металлическую струну  8 одним концом жестко закрепленной на стенке корпуса, а другим на противоположной его стороне с помощью цангового крепления винта 9 с гайкой для затяжки струны 10 и с возможностью натяжки струны с помощью гайки 11, середина струны 12 жестко связана с концом измерительного лотка 13, имеющего точку опоры на корпусе 14, две электромагнитные катушки возбуждения колебаний секций струн 15, 16 подключены к выходам двух усилителей 17, 18, входами соединенных с выходами двух оптопар, светодиод 19 – фототранзистор 20 и светодиод 21 - фототранзистор 22, соответственно размещенных в зоне их колебаний. Сигнальные выходы с усилителей 17, 19 подаются на D и C входы D-триггера 23, выход D-триггера подключен к одному из входов модуля частотного ввода 24, на другой вход модуля частотного ввода подключен выход датчика влажности 5, выход модуля частотного ввода 24 соединен по RS485 интерфейсу с бортовым компьютером 25. По тому же интерфейсу поступает оцифрованный модулем аналогового ввода 26 сигнал с датчика температуры 6 и тензодатчика 7. Бортовой компьютер 25 оснащен навигатором 27, флэш-памятью 28 и GSM/GPRS модемом сотовой связи 29.
Автоматизированная система поточного измерения урожайности зерна для точного земледелия при комбайновой уборке работает следующим образом.
Поток зерна из верхней части загрузочного шнека зерноуборочного комбайна поступает в поточный измеритель урожайности на разветвитель потока, где основной объем по наклонной плоскости 2 отводится на лотковый расходомер, а небольшая часть – в измерительную камеру. Перед измерительной камерой продукт проходит через тормозные жалюзи 2 в стабилизатор потока 3, где он тормозится, успокаивается и стабилизирует плотность и скорость. Уравновешенный по плотности продукт попадает в камеру 4, с емкостным датчиком влажности 5, датчиком температуры зерна 6, а с тензодатчика 7, на котором закреплена камера 4, снимаются показания натуры – веса. Пройдя камеру 4, продукт соединяется с основным потоком и попадает на лотковый расходомер. Возбуждение колебаний двух секций струны 8 осуществляется двумя электромагнитными катушеками 15, 16, двумя усилителями 17, 18 и двумя преобразователями механических колебаний в электрические колебания с помощью двух оптопар (светодиод-фототранзистор) 19, 20 и 21, 22 соответственно. При отсутствии давления потока зерна на лоток, натяжение двух секций струны 8 будет одинаковым и, соответственно, частоты с выходов усилителей 17, 18 также будут равны. Соответственно, на выходе D-триггера вычитания частот 23 будет нулевой сигнал. При давлении на лоток потока зерна натяжение струны 8 в одной секции будет повышаться, а в другой понижаться. В результате на выходе D-триггера вычитания частот 23 появится частота равная разности частот и она будет тем выше, чем больше давление на лоток, начиная с нулевой частоты. Таким образом, количество импульсов поступающих на вход модуля частотного ввода 24 за определенный интервал времени будет прямо пропорционально массе зерна прошедшего через лоток, т.е.
m = k⋅n,
где m – масса зерна в кг, прошедшая через лоток за определенный интервал времени; n - количество импульсов зарегистрированных  модулем за это время; k – коэффициент пропорциональности.
Компенсация налипшей грязи производится в бортовом компьютере путем вычитания из каждого измеряемых показаний значение показаний при остановке комбайна и отсутствии поступления зерна из загрузочного шнека.
На другой вход модуля частотного ввода 24 поступает частотный сигнал с датчика влажности 5. Оцифрованные значения массы зерна и влажности по RS485 интерфейсу подаются в бортовой компьютер 25. Эти измерения и данные о местоположении комбайна на поле, определяемое навигатором 24, записываются в память компьютера с указанием урожайности на каждом конкретном участке поля, на флэш-память, а также в режиме реального времени передаются по GSM/GPRS модему на сервер диспетчерского центра для составления карты урожайности на каждом участке поля для последующего изучения и выравнивания плодородия почвы.
Для коррекции показаний влажности зерна необходимо измерять температуру и массу. Аналоговые сигналы датчиков температуры 6 и тензодатчика 7 подаются на входы модуля аналогового ввода, откуда значения их показаний в оцифрованном виде по тому же RS485 интерфейсу записываются в память бортового компьютера  вместе с показаниями влажности.
Такой способ измерения урожайности характеризуется высокой точностью и помехоустойчивостью от вибрационных помех, т.к. колебания секций струны, возбужденные на резонансной частоте с помощью двух автогенераторов состоящий из усилителей, преобразователей и возбудителей механических колебаний будут отфильтровывать все вибрационные помехи, а полезный сигнал, определяемый давлением потока зерна, будет удваиваться.
Использование системы для решения задачи поточного измерения урожайности зерна повышает точность измерений за счет помехоустойчивости при больших вибрационных нагрузках, снижает стоимость оборудования при оцифровке плодородия полей для последующего дифференцированного внесения удобрений, и, как следствие, повышение урожайности сельскохозяйственных культур и снижение экологической нагрузки на окружающую среду.