Устройство для измерения твердости почвы
DEVICE FOR MEASURING SOIL HARDNESS

Предлагаемое изобретение относится к инструментам для определения твердости почвы в корнеобитаемом слое сельскохозяйственных растений на различных глубинах, в том числе и на глубинах, превышающих один метр, с фиксацией результатов на видеоустройства.
Известно, что одной из важнейших физических характеристик почвы является ее твердость, то есть ее способность сопротивляться сдавливанию и расклиниванию рабочим органам при работе на ней почвообрабатывающих машин.
Наибольшее распространение для измерения твердости почвы получили твердомеры, состоящие из пружин с известным усилием сжатия, плунжеров и механизмов записи, фиксирующих соотношение усилия сжатия пружин при перемещении плунжеров в почве.
Известен твердомер Алексеева [1]. В отличие от широко распространенных твердомеров, пружина в нем заменена гидравлическим цилиндром с поршнем и манометром. Для работы с известным твердомером, как и для работы с подобными зарубежными аналогами необходимы два и более работника для одновременного вдавливания стержня с наконечником в почву и визуальной фиксации с ручной записью показаний манометра и величин перемещения стержня в ней.
Известен твердомер [2], состоящий из двух направляющих штанг, зафиксированных между собой, на которых установлена подвижная пластина с рукояткой, телескопическими штангами, цилиндрической пружиной, сменным наконечником и пишущим механизмом с бумажной лентой. Известный твердомер также имеет ряд недостатков. У него ограничена измеряемая глубина, необходимо часто менять бумажную ленту, а наличие в пишущем механизме большого числа шарниров снижает надежность и качество получаемой информации.
Известно устройство для измерения твердости почвы [3] на глубину до 1,2 м, состоящее из рабочего штока, вставленного в отверстие основания с закрепленными на нем направляющими штангами, наконечника и пишущего механизма. При измерении твердости известным устройством на большую глубину необходимо несколько раз перемещать пружину с пишущим механизмом в вертикальном направлении, соединять и разъединять штанги и маркировать записанные на бумаге линии, что в целом усложняет работу с устройством и снижает его надежность.
Цель изобретения - упрощение процесса измерения твердости почвы в корнеобитаемом слое сельскохозяйственных растений до глубин, превышающих метровые значения.
Для достижения поставленной цели предлагается устройство для определения твердости почвы (твердомер), состоящее из рукоятки, на которой закреплены прямоугольная площадка для бумаги с бумагой, вертикальный кронштейн с рулеткой, вертикальная линейка, ограничительный пруток, направляющая втулка и верхняя тарелка. При этом площадка для бумаги, ограничительный пруток и вертикальная линейка удерживаются на рукоятке хомутом с прижимной пластиной и вертикальными гайками. А на верхней тарелке сбоку дополнительно установлено болтовое соединение с горизонтальным кронштейном и видеокамерой. В направляющей втулке, расположенной в центре рукоятки, подвижно установлен цилиндрический вертикальный стержень, на котором сверху на верхнем резьбовом окончании горизонтальной гайкой закреплена указательная пластина, а снизу в конусообразном отверстии с углублением под опорным башмаком, калиброванный наконечник. При этом меньший диаметр этого отверстия больше диаметра вертикального стержня, но меньше диаметра калиброванного наконечника. На опорном башмаке также шарнирно закреплен и наконечник рулетки с полотном рулетки со шкалой, направленной в сторону видеокамеры. Под рукояткой в верхней тарелке расположена цилиндрическая пружина, которая снизу опирается на нижнюю тарелку, закрепленную на цилиндрическом вертикальном стержне болтом с контргайкой.
На фиг. 1 представлен вид спереди предлагаемого устройства, на фиг. 2 - вид сбоку, а на фиг. 3 - увеличенное сечение А-А.
Устройство для определения твердости почвы (твердомер) состоит из рукоятки 1 (фиг. 1), на которой закреплены площадка для бумаги 2 с бумагой 3, направляющая втулка 4 с верхней тарелкой 5, вертикальная линейка 6, ограничительный пруток 7 и вертикальный кронштейн 8 с рулеткой 9. В направляющей втулке 4 подвижно установлен цилиндрический вертикальный стержень 10 с указательной пластиной Пи горизонтальной гайкой 12 (фиг. 2). На верхней тарелке 5 снаружи на резьбовом соединении дополнительно закреплена видеокамера 13 на горизонтальном кронштейне 14. А внутри ее расположена цилиндрическая пружина 15, ограниченная снизу нижней тарелкой 16, зафиксированной на цилиндрическом вертикальном стержне 4 (фиг. 1) стопорным болтом 17 с контргайкой 18. На нижнем конце вертикального цилиндрического стержня 10 над калиброванным наконечником 19 дополнительно установлен опорный башмак 20 с внутренним конусообразным отверстием 21 и с углублением для калиброванного наконечника 19. К опорному башмаку 20 (фиг. 2) дополнительно шарнирно прикреплено полотно рулетки 22 через наконечник рулетки 23. Для удержания и регулировки вертикальной линейки 6 на устройстве выполнена пластина 24 (фиг. 3), которая совместно с площадкой для бумаги 2 и ограничительным прутком 7 на рукоятке 1 удерживаются хомутом 25 с вертикальными гайками 26.
Устройство для измерения твердости почвы (твердомер) работает следующим образом. Перед работой твердомер тарируется. Для этого к рукоятке 1 (фиг. 1) установленного на весы твердомера прикладывается вертикальное рабочее усилие, которое через верхнюю тарелку 5, цилиндрическую пружину 15 и нижнюю тарелку 16 со стопорным болтом 17 и контргайкой 18 передается на вертикальный стержень 10, подвижно установленный в направляющей втулке 4. Цилиндрическая пружина 15, сжимается и перемещает вместе с вертикальным стержнем 10 закрепленную на его верхнем конце горизонтальной гайкой 12 указательную пластину 11 вдоль вертикальной линейки 6. Соотношение прилагаемых на рукоятку 1 усилий и перемещений указательной пластины 3 относительно шкалы вертикальной линейки 6 фиксируется, и затем определяется переводной тарировочный коэффициент, который используется в дальнейших расчетах.
Первоначально в твердомере на площадке для бумаги 2 закрепляют бумагу 3 с записью информации об исследуемой на поле точки. Далее кронштейн видеокамеры 14 (фиг. 2) поднимают до горизонтального положения, фиксируют его на верхней тарелке 5 болтовым соединением и закрепляют на нем видеокамеру 13 таким образом, что бы на экране видеокамеры 13 одновременно отображались бумага 3 с записью названия отрабатываемой на поле точки и указательная пластина 11 со шкалами вертикальной линейки 6 и полотна рулетки 22. Нулевое положение вертикальной линейки 6, видимое на видеокамере против указательной пластины 11 на разгруженном твердомере регулируется ее перемещением после частичного раскручивания вертикальных гаек 26 (фиг. З), удерживающих хомутом 25 на рукоятке 1 прижимную пластину 24 и площадку для бумаги 2.
В исследуемом на поле месте ставят твердомер опорным башмаком 20 (фиг. 1) на почву в вертикальном положении, включают видеокамеру 13, и медленно вдавливают за рукоятку 1 цилиндрический вертикальный стержень 10 с калиброванным наконечником 19 в почву. При этом усилие от цилиндрического вертикального стержня 10 через нижнюю тарелку 16, закрепленную на нем стопорным болтом 17 с контргайкой 18, передается на цилиндрическую пружину 15 и сжимает ее. Перемещаясь в направляющей втулке 4, цилиндрический вертикальный стержень 10 поднимает указательную пластину 11 вдоль вертикальной линейки 6 на величину, соответствующую усилию сопротивления вдавливания в почву калиброванного наконечника 19. При заглублении цилиндрического вертикального стержня 10 рукоятка 1, а вместе с ней и закрепленная на вертикальном кронштейне 8 рулетка 9 опускаются вниз, сматывая излишки полотна рулетки 22, которая наконечником рулетки 23 (фиг. 2), шарнирно прикреплена к опорному башмаку 20. При этом вес опорного башмака 20 превышает усилие сматывания рулетки 9, что исключает его произвольный подъем. Видеокамера 13 совместно с указательной пластиной 11, опускаясь вместе с кронштейном видеокамеры 14 вниз вдоль стоящей шкалы полотна рулетки 22, фиксирует одновременно положения указательной пластины 11 относительно этой шкалы и относительно шкалы вертикальной линейки, отклонение которой от нулевого значения показывает усилие вдавливания калиброванного наконечника в почву. Указательная пластина 11 (фиг. 3), закрепленная на цилиндрическом вертикальном стержне 10 может относительно его оси проворачиваться. Сзади этому препятствует вертикальная линейка 6, а спереди ограничительный пруток 7. Шкала на полотне рулетки 22 (фиг. 1) в рулетке 9 заправлена в обратном направлении, то есть, когда калиброванный наконечник 19 находится в нижней плоскости опорного башмака 20, видеокамера 13 на полотне рулетки 22 против указательной пластины 11 фиксирует нулевую отметку. При определении твердости почвы ее поверхность может быть не плоской и не горизонтальной. Что бы исключить подклинивание вертикального стержня 10 при перекосе опорного башмака 20, отверстие 21 в нем выполнено конусообразным. При этом меньший диаметр отверстия 21 больше диаметра вертикального стержня 10, но меньше диаметра калиброванного наконечника 19. После измерения твердости в одной точке, не выключая видеокамеру, можно рядом повторить эти измерения нужное количество раз. Затем видеокамеру 13 выключают.
Переместив твердомер на новое место и сменив соответствующую надпись на бумаге 3, включают видеокамеру 13 и уже на нем повторяют нужное количество заглублений вертикального стержня 10 в почву с видеофиксацией усилий вдавливания на соответствующих глубинах прохождения калиброванного наконечника 19.
После завершения измерений снимают устройство флэш-памяти с видеокамеры 13, и на компьютере в покадровом режиме считывают, по указанной на бумаге точке, положение указательной пластины 11 относительно вертикальной линейки 6, то есть величины сжатия цилиндрической пружины 15 на интересующих исследователя глубинах, определяют их средние значения и, используя ранее полученный тарировочный коэффициент (индивидуальный для каждого твердомера), определяют средние значения твердости на этих глубинах. Заменяя на устройстве цилиндрический вертикальный стержень 10 стержнем с другой длиной и меняя при этом соответствующее полотно рулетки 22, твердомером можно измерять твердости почвы в корнеобитаемых слоях в различных диапазонах глубин.
Список литературы:
1. Вадюнина А.Ф., Корчагина З.А. Методы исследования физических свойств почв. - М.: Агропромиздат, 1986. - 141 с.
2. Патент на изобретение №2717169 Рос. Федерации: МПК G01N 3/40 Устройство для измерения твердости почвы / Вытовтов В.А., Прущик А.В., Сухановский Ю.П., Тарасов С.А.; заявитель и патентообладатель ФГБНУ «Курский ФАНЦ» - №2019118685; заявл. 14.06.2019, опубл. 18.03.2020, бюл. №8.
3. Патент на полезную модель 106746 Рос. Федерации: МПК G01N 3/00 Устройство для измерения твердости почвы / Корпушов С.А., Петров В.И., Жданов Ю.М.; заявитель и патентообладатель ГНУ ВНИАЛМИ РАСХН - №2010151074/15; заявл. 13.12.2010, опубл. 20.07.2011, бюл. №20.