Устройство для горизонтального непрерывного измерения твердости почвы
DEVICE FOR HORIZONTAL CONTINUOUS MEASUREMENT OF SOIL HARDNESS

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться в сельском хозяйстве для исследования физико-механических свойств почвы, в частности твердости почвы.
Известны устройства для измерения физико-механических свойств почвы, таких как твердость и плотность в пахотном слое, действующие на принципе вдавливания наконечников в исследуемую пробу почвы и регистрации прикладываемого, при вдавливании, усилия. Например, известно устройство для горизонтального непрерывного определения твердости почвы, состоящее из стойки с выдвижным ножевидным деформатором, который к раме орудия крепится шарнирно, потенциометрического датчика линейного перемещения, установленного на раме на специальной платформе и движка датчика, соединенного гибким тросом со стойкой [1].
Недостатком данного устройства является низкая достоверность измерения, вследствие погрешностей, вызываемых высокими силами трения почвы относительно боковых поверхностей ножевидного деформатора.
Также недостатком данного устройства является невозможность дифференцированного измерения твердости почвы по толщине ее пахотного горизонта, (т.е. измерения твердости в определенном слое по глубине), так как ножевидный деформатор, проходя через пахотный слой почвы, фиксирует общее усилие, необходимое для прорезания пласта почвы, и не может определять твердость в отдельных горизонтах пахотного слоя.
Известно устройство для оценки агрегатного состава почвы, с помощью которого возможно проводить непрерывное измерение твердости почвы. Устройство содержит корпус, закрепленный на стойке (измерительном щупе), плунжер, установленный поперечно стойке в корпусе и размещенный в последнем задним концом, наконечник, выполненный на переднем конце плунжера, и тензометрические датчики, зафиксированные на упругом элементе, который закреплен на корпусе и опирается на задний торец плунжера [2].
Недостатком известного устройства является низкая достоверность результатов измерения вследствие того, что при рабочем движении установки почва обрушивается на открытый плунжер и зажимает его, в результате чего возникают дополнительные силы трения, создающие существенную нагрузку на плунжер, что искажает достоверность измерения твердости почвы.
Кроме того, недостатком является высокая вероятность изгиба или поломки открытого плунжера, т.к. при движении в почве он непрерывно сталкивается с крупными почвенными агрегатами (глыбами, камнями и т.д.) и, как следствие этого, испытывает значительные боковые нагрузки.
Наиболее близким по сходным признакам к предлагаемому устройству является известное устройство для измерения твердости почвы, которое содержит корпус, закрепленный на стойке, плунжер, установленный поперечно стойке в корпусе, наконечник, выполненный на переднем конце плунжера, и тензометрические датчики, зафиксированные на упругом элементе, который закреплен на корпусе и опирается на задний торец плунжера [3].
Плунжер размещен в корпусе целиком, причем перед наконечником установлена эластичная мембрана, закрепленная на корпусе, а в последнем размещен ряд плунжеров, расположенных друг над другом, количество которых соответствует количеству измеряемых горизонтов почвы.
Недостатком данного устройства является низкая достоверность результатов измерений вследствие того, что наконечник твердомера расположен внутри корпуса и не имеет непосредственного контакта с почвой. Расположение наконечника внутри корпуса твердомера приводит к искажению результатов измерений вследствие того, что корпус твердомера, при движении формирует перед собой уплотненную область почвы, и наконечник, таким образом, оказывается внутри уплотненной области, свойства которой существенно отличаются от свойств соседней неуплотненной (естественной) области почвы. То есть на наконечник воздействует только часть силы со стороны почвы, другая часть силы со стороны почвы воздействует на корпус твердомера, а не на наконечник, в итоге результаты измерения оказываются искажены. Кроме того, наконечник отделен от почвы мембраной, которая за счет собственной упругости также приводит к искажению результатов измерений.
Также недостатком прототипа может являться высокое тяговое сопротивление при движении твердомера, так как корпус твердомера, конструктивно представляет собой широкую щелерезную стойку, движущуюся в слое почвы на глубине до 30 см.
Целью изобретения является повышение достоверности измерения твердости почвы и снижения тягового усилия, необходимого для перемещения устройства для измерения твердости почвы.
Поставленная цель достигается за счет того, что предлагаемое устройство содержит корпус, закрепленный на узкой стойке, плунжер, установленный горизонтально, под углом к стойке в корпусе, наконечник, закрепленный на переднем торце плунжера, и тензометрические датчики, зафиксированные на упругом элементе, который закреплен в корпусе и упирается в задний торец плунжера.
В отличие от известного, в предлагаемом устройстве плунжер целиком размещен в направляющей конусообразной крышке и установлен в последней посредством втулки и эластичной защитной вставки, при этом плунжер не контактирует с почвой, а наконечник расположен за пределами корпуса устройства и контактирует с почвой только своей рабочей поверхностью.
Кроме того, предлагаемое устройство содержит только один плунжер с наконечником.
Такая совокупность признаков предлагаемого устройства позволяет достичь поставленной изобретением цели:
- повышает достоверность измерения твердости почвы, т.к. наконечник движется в области естественной, а не уплотненной корпусом почвы; также перед наконечником нет мембраны, он свободно контактирует с почвой, но только своей передней (рабочей) поверхностью;
- снижает тяговое сопротивление, так как корпус предлагаемого устройства значительно меньше и в нем расположен только один плунжер, которого достаточно для проведения дифференцированного (в определенном слое почвы) измерения твердости почвы.
На фиг. 1 изображено предлагаемое устройство для горизонтального непрерывного измерения твердости почвы. На фиг. 2 изображена принципиальная электрическая мостовая измерительная схема подключения тензометрических датчиков, измерительного и регистрирующего устройств.
Устройство для горизонтального непрерывного измерения твердости почвы содержит корпус 1, закрепленный на стойке 2 и направляющую конусообразную крышку 3, закрепленную на корпусе 1, плунжер 5, целиком размещенный в направляющей конусообразной крышке 3 и установленный в последней посредством втулки 4. На плунжере 5 установлен наконечник 6, отделенный эластичной защитной вставкой 7 от крышки 3. В корпусе 1 закреплен упругий элемент 8, выполненный в виде кольца, в который упирается свободным торцом плунжер 5, при этом на упругом элементе 8, с внешней и внутренней стороны кольца, по обе стороны от оси плунжера 5, зафиксированы тензометрические датчики 9 (R1…R4) (фиг. 1).
Устройство работает следующим образом.
При рабочем движении стойки 2, с установленным на ней корпусом 1, заглубленным в определенный слой почвы, почва воздействует на рабочую поверхность наконечника 6, создавая определенное усилие, которое через плунжер 5 передается на упругий элемент 8, вызывая его упругую деформацию, величина которой будет пропорциональна величине воздействующего на него усилия, то есть величине твердости почвы. Величина деформации упругого элемента 8 регистрируется тензометрическими датчиками 9, закрепленными на нем и подключенными между собой по мостовой измерительной схеме, и формирующими выходной аналоговый сигнал, фиксируемый специальным усилителем с регистрирующим устройством. При этом усилитель с регистрирующим устройством, а также измерительное устройство, милливольтметр (mV), подключены в диагональ мостовой измерительной схемы (фиг. 2).
В исходном состоянии (без нагрузки) мостовая измерительная схема находится в уравновешенном состоянии и ее выходной сигнал (напряжение на милливольтметре и усилителе с регистрирующим устройством) равен нулю. В рабочем состоянии тензометрические датчики меняют свое сопротивление и мостовая измерительная схема выходит из равновесия, при этом на ее выходе появляется напряжение, которое измеряется милливольтметром, а также усиливается усилителем и фиксируется регистрирующим устройством. При этом чувствительность мостовой измерительной схемы значительно выше, чем одного или пары тензометрических датчиков, за счет чего точность измерения повышается.
Применение упругого элемента в виде кольца позволяет снизить амплитуду перемещения наконечника с плунжером до 0,1…0,3 мм. Таким образом, упругая вставка 7 не сможет оказать существенного влияния на результаты измерения.
Источники информации:
1. Авт. св. СССР № 397847. Прибор для непрерывного определения твердости почвы. Кл. G01N 33/24 / А.Н. Ярмагомедов, 1973.
2. Авт. св. СССР № 1146569. Устройство для оценки агрегатного состава почвы. Кл. G01N 1/20, 1983.
3. Патент РФ №2305267. Устройство для непрерывного измерения твердости почвы. Кл. G01N 3/00 / С.И. Васильев, С.С. Нугманов, 2007.