ES2267320A1 - Portable penetrometer for agricultural use for measuring compaction and resistance of ground has electronic circuit that processes signals from load cell and optical encoder and stores signals for uploading in computer - Google Patents

Portable penetrometer for agricultural use for measuring compaction and resistance of ground has electronic circuit that processes signals from load cell and optical encoder and stores signals for uploading in computer Download PDF

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ES2267320A1 ES200300458A ES200300458A ES2267320A1 ES 2267320 A1 ES2267320 A1 ES 2267320A1 ES 200300458 A ES200300458 A ES 200300458A ES 200300458 A ES200300458 A ES 200300458A ES 2267320 A1 ES2267320 A1 ES 2267320A1
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Abstract

A commercial load cell determines the resistance to penetration by the ground and emits a corresponding electrical signal, and measures the depth during ground penetration. An optical encoder counts the number of turns of the screw nut from the start of operation. Signals from the load cell and optical encoder are processed by an electronic circuit controlled by a reduced instruction set computer (RISC) microcontroller. The signals are stored for uploading in a computer executing software for obtaining curves relating cone index and depth and the characteristics of tests. A conical end penetrates the ground at a constant speed of 3 centimeters per second. A small screw nut is driven to rotate by an electric battery motor like a drill used in carpentry or do-it-yourself jobs.

Description

Penetrómetro portátil con mecanismo de husillo, para usos agrícolas, gestionado con microcontrolador y ordenador.Portable penetrometer with spindle mechanism, for agricultural uses, managed with microcontroller and computer.

Objeto de la invenciónObject of the invention

Se trata de un prototipo de penetrómetro o aparato usado para medir el grado de compactación y la resistencia del suelo con fines agrícolas. El aparato debe empujar a una punta cónica estándar que penetra en el suelo a una velocidad constante de 3 cm/s. El prototipo tiene el carácter de ser portátil y manejable a nivel de parcela por un solo operador y utiliza como principio del desplazamiento de la citada punta cónica un mecanismo de Husillo (Tornillo-tuerca) de paso conocido, que se hace girar con un motor eléctrico accionado a pilas como los denominados "taladros" o "trompos" usados en carpintería o bricolaje. Como elemento captador de la resistencia que ofrece el suelo al ser penetrado se utiliza una célula de carga comercial que emite una señal eléctrica proporcional a esa fuerza y como elemento que mide en cada instante la profundidad a que se encuentra la punta durante su trayectoria se utiliza un dispositivo denominado codificador óptico (Encoder) que cuenta las vueltas giradas por el tornillo desde el comienzo de la operación. Las dos señales, la procedente de la célula de carga y la del Encoder, son adecuadamente tratadas en un circuito electrónico controlado por un Microcontrolador de arquitectura RISC como elemento esencial del mismo. Las dos señales son almacenadas y finalmente se pueden volcar a un ordenador habiéndose desarrollado un Software que permite obtener unas curvas de (Índice de cono) - (Profundidad), características de estos ensayos.It is a prototype penetrometer or apparatus used to measure the degree of compaction and resistance of soil for agricultural purposes. The device must push to a point standard conical that penetrates the ground at a constant speed of 3 cm / s. The prototype has the character of being portable and manageable at the plot level by a single operator and use as principle of displacement of said conical tip a mechanism Spindle (Screw-nut) of known pitch, which it is rotated with a battery powered electric motor such as called "drills" or "tops" used in carpentry or  DIY As a resistance element offered by the soil when being penetrated uses a commercial load cell that emits an electrical signal proportional to that force and as an element which measures the depth at which the tip during its trajectory a device called optical encoder (Encoder) that counts the turns turned by the screw from the beginning of the operation. The two signals, the from the load cell and that of the Encoder, are properly treated in an electronic circuit controlled by a RISC architecture microcontroller as an essential element of the same. The two signals are stored and finally they can be dump a computer having developed a Software that allows to obtain curves of (Cone Index) - (Depth), characteristics of these tests.

Estado de la técnicaState of the art

Los penetrómetros son dispositivos que permiten determinar la resistencia a la penetración del suelo, la cual es la fuerza (fuerza por unidad de superficie) necesaria para introducir una punta cónica hasta una cierta profundidad en el perfil del suelo. El Índice de Cono a una determinada profundidad del suelo es el valor medio de la resistencia a la penetración encontrada hasta dicha profundidad. Se expresa generalmente en kPa o MPa y al ser variable con la profundidad, es usual representar los resultados en forma gráfica IC-Prof.Penetrometers are devices that allow determine the resistance to soil penetration, which is the force (force per unit area) needed to enter a conical tip to a certain depth in the profile of the ground. The Cone Index at a given soil depth is the average penetration resistance value found up to such depth. It is usually expressed in kPa or MPa and being variable with depth, it is usual to represent the results in graphic form IC-Prof.

Debido a su simplicidad, la técnica del penetrómetro ha sido muy utilizada en los estudios de caracterización del suelo a través de sus propiedades mecánicas y de propiedades relacionadas con el estado y naturaleza del mismo, en su estado natural
(Bekker, 1969; Yong et al., 1984; Wong et al., 1991). Maclaurin (1987) y Okello (1991) consideran al penetrómetro junto con el bevámetro como las técnicas más adecuadas para determinar las propiedades del suelo en estudios de locomoción extraviaria.
Due to its simplicity, the penetrometer technique has been widely used in soil characterization studies through its mechanical properties and properties related to its state and nature, in its natural state
(Bekker, 1969; Yong et al. , 1984; Wong et al. , 1991). Maclaurin (1987) and Okello (1991) consider the penetrometer together with the bevmeter as the most appropriate techniques for determining soil properties in studies of extra-locomotion locomotion.

La técnica del penetrómetro es bastante rápida y fácil de realización, encontrando numerosas aplicaciones, como son, la caracterización de suelos para estudios de transitabilidad de vehículos, cuantificar las variaciones de compactación del suelo, y estudios de la oposición física del suelo al desarrollo del sistema radicular de las plantas.The penetrometer technique is quite fast and easy to make, finding numerous applications, such as, soil characterization for passability studies of vehicles, quantify soil compaction variations, and studies of the physical opposition of the soil to the development of the system Root of plants.

Los penetrómetros descritos en la bibliografía se puede dividir en 3 grupos, según el sistema de accionamiento, estos son: manuales, eléctricos e hidráu-
licos.
The penetrometers described in the literature can be divided into 3 groups, depending on the drive system, these are: manual, electric and hydraulic
Licos.

En el primero, es el propio operador que utiliza su fuerza para empujar el sistema vástago-cono mediante dos mangos, procurando mantener constante la velocidad de penetración, o bien, deja caer una masa conocida desde una cierta altura en los penetrómetros de impacto.In the first, it is the operator that uses its force to push the rod-cone system through two handles, trying to keep the speed of penetration, or, drops a known mass from a certain height in impact penetrometers.

Los de accionamiento hidráulico o eléctrico generalmente se transportan sobre un tractor o máquina similar, del que recibe la energía necesaria, bien por las tomas hidráulicas, toma de fuerza o de su circuito eléctrico. Tienen la ventaja sobre los manuales, de no requerir esfuerzo físico del operador, lo que permite realizar numerosos ensayos sobre suelos duros, en un corto espacio de tiempo. Por el contrario tienen el inconveniente de sus dificultades para acceder a ciertos lugares debido al tractor que los transportan, bien por la destrucción del cultivo que ello supondría, o bien por la topografía del terreno.The hydraulic or electric drive They are usually transported on a tractor or similar machine, that receives the necessary energy, either by the hydraulic sockets, PTO or its electrical circuit. They have the advantage over the manuals, of not requiring physical effort of the operator, which allows to carry out numerous tests on hard floors, in a short space of time. On the contrary they have the disadvantage of their difficulties in accessing certain places due to the tractor that they transport them, either for the destruction of the crop that it it would mean, either because of the topography of the land.

En cuanto al sistema de medida y registro de datos, existe una extensa gama, tanto manuales como automáticos. En los de registro manual, utilizan un anillo dinamométrico cuya deformación es leída y anotada a intervalos de profundidad constantes por el operario. En las de registro automático se usan generalmente transductores de fuerza o presión cuya salida, debidamente acondicionada, ataca la unidad de registro que puede ser de tipo gráfico o numérico, en esta última, equipos digitales.Regarding the measurement system and registration of data, there is an extensive range, both manual and automatic. In those of manual registration, use a dynamometric ring whose deformation is read and noted at depth intervals constant by the operator. In automatic registration they are used generally force or pressure transducers whose output, properly conditioned, it attacks the registration unit that can be graphic or numerical type, in the latter, digital equipment.

El uso generalizado de los penetrómetros hizo preciso la tipificación de los mismos, al objeto de poder comparar las medidas realizadas por los investigadores de todo el mundo. Así, la Sociedad Americana de Ingenieros Agrónomos (A.S.A.E.) tipificó el ensayo de resistencia a la penetración en la norma S313.1 (A.S.A.E. Standard, 1980). Actualmente la norma vigente es la S313.3 (A.S.A.E. Standard, 1999).The widespread use of penetrometers made precise their classification, in order to compare the measures taken by researchers around the world. Thus, the American Society of Agricultural Engineers (A.S.A.E.) typified the penetration resistance test in the standard S313.1 (A.S.A.E. Standard, 1980). Currently the current standard is the  S313.3 (A.S.A.E. Standard, 1999).

En la bibliografía se encuentra descritos numerosos penetrómetros adaptados a la norma A.S.A.E. pero que se diferencia en los aspectos no recogidos en la misma, caben destacar:In the bibliography it is described numerous penetrometers adapted to the A.S.A.E. but what do I know difference in aspects not included in it, fit highlight:

Como penetrómetros de accionamiento manual y registro numérico hay que citar los de Wells et al. (1981), O'Sullivan et al. (1983) y Woosruff y Lenker (1984). En ellos las lecturas se realizaban a intervalos de profundidad constante y se recogían en un sistema de adquisición de datos de tipo digital, almacenándose en cintas magnéticas o en memorias electróni-
cas.
As a manually operated penetrometer and numerical register, those of Wells et al. (1981), O'Sullivan et al. (1983) and Woosruff and Lenker (1984). In them the readings were made at intervals of constant depth and were collected in a digital data acquisition system, stored on magnetic tapes or in electronic memories
cas.

Riethmuller et al. (1983) desarrollan un penetrómetro de accionamiento hidráulico con un sistema de medida basado en un microordenador, el tractor soporta el bastidor de 3 m de longitud por el que se desplaza un cilindro hidráulico de 60 cm de recorrido. Utilizaba un transductor extensométrico de fuerza y dos potenciométricos para el desplazamiento lateral de cilindro y vertical de émbolo. Las tres señales analógicas se transformaban en señales de frecuencia variable, siendo recogidas por el microordenador para su medida y registro en cinta magnética. Los datos tenían un salida de forma escrita en impresora acoplada al microordenador.Riethmuller et al. (1983) develop a hydraulic drive penetrometer with a measurement system based on a microcomputer, the tractor supports the 3 m long frame through which a 60 cm hydraulic cylinder travels. It used an extensometric force transducer and two potentiometers for lateral displacement of cylinder and vertical plunger. The three analog signals were transformed into variable frequency signals, being collected by the microcomputer for measurement and recording on magnetic tape. The data had an output written in a printer attached to the microcomputer.

Agüera et al. (1991), diseñó, un penetrómetro portátil de accionamiento manual, que disponía de un medidor de fuerza y otro de desplazamiento, que permitía almacenar los datos en un PC portátil y visualizar simultáneamente al ensayo, la curva IC-profundidad en su pantalla.Agüera et al. (1991), he designed, a manually operated portable penetrometer, which had a force meter and a displacement meter, which allowed the data to be stored on a portable PC and simultaneously visualized the test, the IC-depth curve on its screen.

La posibilidad de acceso con el penetrómetro a cualquier punto de la parcela en condiciones diversas de cultivo hace que sean de interés los penetrómetros portátiles que utilizan la fuerza del propio operador, pero posee limitaciones: no poder sobrepasar resistencias a la penetración superiores a las del esfuerzo que un operador manualmente puede suministrar, esto es 3 MPa, imposibilidad de mantener la velocidad de penetración constantes cuando hay variaciones importantes de resistencia y no poder realizar numerosas repeticiones por agotamiento físico del operario.The possibility of access with the penetrometer to any point of the plot in diverse cultivation conditions makes the portable penetrometers they use interesting the strength of the operator itself, but it has limitations: not being able exceed penetration resistance higher than effort that an operator can manually supply, this is 3 MPa, inability to maintain penetration speed constants when there are significant variations of resistance and not be able to perform numerous repetitions due to physical exhaustion of operator.

Es por lo que resultaría de interés el disponer de un penetrómetro portátil, manejable por un solo operador y fácil de operar en campo, que no presenten las limitaciones derivadas del accionamiento manual, que nos permita registrar un gran número de ensayos y la posibilidad de mostrar la gráfica IC-Profundidad simultáneamente al ensayo.That is why it would be of interest to have of a portable penetrometer, manageable by a single operator and easy to operate in the field, that do not present the limitations derived from manual actuation, which allows us to register a large number of essays and the possibility to show the graph IC-Depth simultaneously to the test.

El dispositivo que se ha diseñado y construido requiere un solo operador, es de fácil manejo a nivel de parcela y está accionado por un motor eléctrico de corriente continua. Mediante él se asegura la velocidad constante de penetración, parámetro esencial para la determinación correcta del Índice de Cono. Mediante dos sensores, un encoder óptico y una célula de carga, se medirá en cada instante el desplazamiento del vástago y la fuerza necesaria para penetrar dicho vástago en el suelo. Puede medir resistencias a la penetración de hasta 7,5 MPa si es manejado por un solo operario y de hasta 15 MPa si dispone de la ayuda de una segunda persona. Se ha desarrollado todo el equipo electrónico y el software necesario para la medida, registro y análisis de la información del ensayo de resistencia a la penetración permitiendo almacenar un gran número de ensayos y la posibilidad de mostrar la gráfica IC-Profundidad simultáneamente al ensayo con la utilización de un PC portátil. Una característica esencial del equipo es su accionamiento eléctrico aun siendo una máquina portátil.The device that has been designed and built It requires only one operator, it is easy to handle at the plot level and It is powered by a DC electric motor. Through it the constant penetration speed is ensured, essential parameter for the correct determination of the Index of Cone. Through two sensors, an optical encoder and a cell load, the displacement of the stem will be measured at every moment and the force necessary to penetrate said stem into the ground. May measure penetration resistance up to 7.5 MPa if handled by a single operator and up to 15 MPa if you have the help of a  second person. All the electronic equipment and the software necessary for the measurement, recording and analysis of the penetration resistance test information allowing store a large number of trials and the ability to show the IC-Depth graph simultaneously to the test with  The use of a portable PC. An essential feature of equipment is its electric drive even being a machine laptop.

Descripción de las figurasDescription of the figures

Figura 1Figure one

Vista general de la estructura mecánica del equipoGeneral view of the mechanical structure of the equipment

Se aprecia en la figura la columna soporte (1) solidaria a una base cuadrada (4) que dispone de patas en forma de garras (3). A esta columna se ve fijada el conjunto del mecanismo tuerca-husillo (17) mediante un sistema de enganche (15).The support column (1) can be seen in the figure solidarity with a square base (4) that has legs in the form of claws (3). The mechanism assembly is attached to this column spindle nut (17) by means of a coupling system (fifteen).

Este mecanismo sirve como soporte de los siguientes elementos que se aprecian en la figura: placa soporte de la caja de circuitos (14), la propia caja de circuitos (9), el soporte de las baterías (8), las propias baterías (18), la placa para fijar la célula de carga (7) y la propia célula de carga (6) que se encarga de medir medirla resistencia a la penetración del conjunto vástago-cono (5).This mechanism serves as support for following elements that can be seen in the figure: support plate the circuit box (14), the circuit box itself (9), the battery holder (8), the batteries themselves (18), the plate to fix the load cell (7) and the load cell itself (6) which is responsible for measuring the resistance to penetration of the rod-cone assembly (5).

En la parte superior del equipo se aprecian dos engranajes iguales de 28 dientes. Uno es el engranaje del husillo (13) que lleva inserto en su centro un acoplamiento para el motor impulsor (12), que hace girar al engranaje del encoger (11) arrastrando al giro el eje del encoger óptico (10), el cual se encarga de medir la profundidad de penetración automáticamente.In the upper part of the team two are appreciated equal gears of 28 teeth. One is spindle gear (13) which has an engine coupling in its center impeller (12), which rotates the encoder gear (11) dragging the axis of the optical encoder (10), which is responsible for measuring the depth of penetration automatically.

El conjunto vástago-cono (5) parte de la célula de carga (6), atraviesa por un orificio la placa del soporte (3). En su desplazamiento a la hora de hacer las mediciones, el vástago es guiado mediante una guía (2) que va colocada en la columna soporte.The rod-cone assembly (5) part of the load cell (6), crosses the plate through a hole of the support (3). In its displacement when making measurements, the stem is guided by a guide (2) that goes placed in the support column.

El equipo para ser transportado dispone de un asa para el transporte (16).The equipment to be transported has a handle for transport (16).

Figura 2Figure 2

Detalle de soporte y base de apoyoSupport detail and support base

Se trata de una columna soporte (1) formada por un perfil hueco de acero, de sección cuadrangular de 40 x 40 mm de sección, de 90 cm de altura soldada a una base o placa de acero de 40 x 40 cm y 3 mm de espesor (4), en la que se incorporan patas en forma de garras de fijación al suelo (3). A esta columna se le adosa una guía del vástago (2) que se desplaza a través de ella, fijando la posición de la misma a voluntad. Esta guía dispone de un agujero por donde circula el vástago para guiar correctamente su dirección.It is a support column (1) formed by a hollow steel profile, with a square section of 40 x 40 mm section, 90 cm high welded to a base or steel plate of 40 x 40 cm and 3 mm thick (4), in which legs are incorporated in shape of ground fixing claws (3). This column is attach a rod guide (2) that travels through it, fixing its position at will. This guide has a hole through which the stem circulates to correctly guide your address.

Figura 3Figure 3

Vista exterior de mecanismo tuerca-husilloExternal view of nut-spindle mechanism

El mecanismo de tuerca-husillo (17) está formado por un tubo cuadrangular exterior de 40 x 40 mm, equipado con plataformas para la caja de circuitos (14) y otra para las baterías (8). Se aprecia asimismo el enganche a la columna soporte (15) soldado a I citado tubo exterior, equipada con dos tornillos con cabezas d e palometa para fijarla a la columna soporte de la figura 2; en el lado lateral derecho se ve un asa para el transporte del equipo (16).The nut-spindle mechanism (17) is formed by a 40 x 40 mm outer quadrangular tube, equipped with platforms for the circuit box (14) and another for the batteries (8). The hitch to the column is also appreciated support (15) welded to I mentioned outer tube, equipped with two screws with dome heads to fix it to the column support of figure 2; on the right side you see a handle for the transport of the equipment (16).

En el extremo superior del tubo de 40 x 40 mm, se aprecia el engranaje del husillo de 28 dientes. El centro de giro de este engranaje coincide con el eje geométrico del tubo cuadrangular es solidario con el tornillo del mecanismo de husillo (figura 4), que se encuentra dentro del tubo cuadrangular exterior. Este engranaje dispone de un acoplamiento rápido del motor impulsor (12). Además dicho engranaje transmite el movimiento al engranaje del encoder, el cual hace girar al eje del Encoder.At the upper end of the 40 x 40 mm tube, the spindle gear of 28 teeth is appreciated. The center of rotation of this gear matches the geometric axis of the tube quadrangular is integral with the screw of the spindle mechanism (Figure 4), which is inside the outer quadrangular tube. This gear has a quick coupling of the drive motor (12). Furthermore said gear transmits the movement to the gear of the encoder, which rotates the encoder shaft.

Figura 4Figure 4

Detalle del vástago del tornillo-husillo y su tuerca dentro del tubo cuadrangular exteriorDetail of the screw-spindle stem and its nut inside the outer quadrangular tube

En el mecanismo de husillo (17) se aprecia la tuerca (19) a la que se suelda el tubo interior telescópico (21) de forma cuadrangular de 36 x 36 mm de sección. Al desplazarse la tuerca al hacer girar el husillo (20), desplaza telescópicamente al tubo interior (21) en cuyo extremo inferior lleva la placa soporte de la célula de carga (7) y la propia célula de carga (6) a la que se acopla el conjunto vástago-cono.In the spindle mechanism (17) the nut (19) to which the telescopic inner tube (21) is welded quadrangular shape of 36 x 36 mm section. When moving the nut when turning the spindle (20), telescopically displaces the inner tube (21) at whose lower end it carries the support plate of the load cell (7) and the load cell itself (6) to which the rod-cone assembly is coupled.

Figura 5Figure 5

Captadores y acondicionadores electrónicosElectronic sensors and conditioners

Se puede apreciar los captadores (sensores) y acondicionadores empleados en el diseño electrónico del equipo así como su disposición. Los captadores (célula de carga y encoder) emiten señales eléctricas que serán preparadas por los acondicionadores, siendo procesadas por un ordenador portátil (PC).You can see the sensors (sensors) and conditioners used in the electronic design of the equipment as well as your disposition The sensors (load cell and encoder) they emit electrical signals that will be prepared by the conditioners, being processed by a laptop (PC)

Descripción de la invenciónDescription of the invention

Se trata del diseño de un penetrómetro portátil (figura 1), para prospectar hasta 50 cm de profundidad, para ser manejado por un solo operario, en el que la energía necesaria para la penetración se obtiene de un motor eléctrico de corriente continua accionado a batería, tal como los actuales "trompos" o taladros de uso en bricolage o similar, sin conexión a la red.It's about the design of a portable penetrometer (figure 1), to prospect up to 50 cm deep, to be managed by a single operator, in which the energy needed to penetration is obtained from an electric current motor continues to be battery powered, just like the current "tops" or drills for use in DIY or similar, without connection to the network.

El penetrómetro consta de tres partes fundamentales:The penetrometer consists of three parts fundamental:

Una parte mecánica o estructura soporte del sistema y mecanismo de tuerca/husillo, unos captadores electrónicos y acondicionadores para medir los esfuerzos, la velocidad de avance de la punta cónica y la posición en cada instante y por último, el software de volcado y procesamiento de la información.A mechanical part or support structure of the nut / spindle system and mechanism, electronic sensors and conditioners to measure efforts, forward speed of the conical tip and position at each instant and finally, the dump and information processing software.

1. Estructura soporte y mecanismo de husillo1. Support structure and spindle mechanism

La estructura soporte es un perfil de acero tubular hueco, de 40 mm de sección a modo de fuste o columna de 90 cm de altura que apoya en el suelo mediante una placa base de 40 x 40 cm (figura 2). Adosado a este fuste y pudiéndose elegir distintas posiciones se acopla el mecanismo de husillo (figuras 3 y 4), que consta a su vez, de dos tubos huecos, de sección cuadrangular y concéntricos, pudiéndose desplazar longitudinalmente uno dentro de otro. El tornillo o husillo tiene una longitud de 50 cm y un paso helicoidal (p) de 0,5 cm/vuelta, recorre longitudinalmente por el interior del tubo exterior y apoya por el extremo superior de éste en un cojinete axial que cierra a este tubo, emergiendo al exterior un acoplamiento rápido del motor impulsor. La tuerca del tornillo (husillo), se solidariza con el tubo concéntrico interior, de tal manera que al hacer girar el tornillo y siendo la tuerca la parte móvil ésta se desplaza por el interior del tubo de mayor diámetro arrastrando al tubo de diámetro menor, que se desplaza telescópicamente hacia arriba o hacia abajo según el sentido de giro del
motor.
The support structure is a hollow tubular steel profile, 40 mm in section by way of a shaft or a 90 cm high column that rests on the ground by means of a 40 x 40 cm base plate (figure 2). Attached to this shaft and being able to choose different positions, the spindle mechanism is coupled (figures 3 and 4), which in turn consists of two hollow tubes, with quadrangular and concentric sections, being able to move longitudinally inside each other. The screw or spindle has a length of 50 cm and a helical pitch (p) of 0.5 cm / turn, runs longitudinally through the inside of the outer tube and supports at the upper end of it in an axial bearing that closes to this tube , a quick coupling of the drive motor emerging to the outside. The nut of the screw (spindle), is in solidarity with the inner concentric tube, in such a way that when the screw is rotated and the nut being the movable part it moves through the inside of the larger diameter tube by dragging the smaller diameter tube, which moves telescopically up or down according to the direction of rotation of the
engine.

2. Captadores electrónicos y acondicionadores de las señales2. Electronic sensors and conditioners of signals

El tubo interior móvil lleva en su base una célula de carga, equipada con galgas extensométricas, que trabaja a tracción-compresión de 250 kg y un fondo de escala de 3000 divisiones y 2 mV/V configurada en puente de Wheastone completo, a la que se rosca la varilla equipada con la punta cónica. Estas galgas proporcionan unas señales eléctricas proporcionales a las fuerzas que se van ejerciendo cuando la punta cónica penetra en el suelo. El valor de cada una de estas fuerzas partido por la sección de la base del cono de la punta cónica anteriormente citada da el Índice de Cono.The mobile inner tube has at its base a load cell, equipped with strain gauges, which works at 250 kg traction-compression and a full scale 3000 divisions and 2 mV / V configured in Wheastone bridge complete, to which the rod equipped with the conical tip is threaded. These gauges provide electrical signals proportional to the forces that are exerted when the conical tip penetrates into soil. The value of each of these forces split by the cone base section of the conical tip mentioned above gives the Cone Index.

Dicha señal eléctrica pasa por un acondicionador encargado de amplificar la salida diferencial del puente de Wheastone y de alimentar la célula de carga con una tensión de 10 V. A continuación se utiliza un convertidor analógico/digital (MAX-186), de 12 bits de resolución sobre un fondo de escala, que para esta aplicación, ha sido fijada mediante una referencia interna de 4096 mV, lo que significa que cada paso del convertidor es un milivoltio.Said electrical signal passes through a conditioner responsible for amplifying the differential output of the bridge Wheastone and feed the load cell with a voltage of 10 V. An analog / digital converter is then used (MAX-186), 12-bit resolution on a background of scale, which for this application, has been set by a 4096 mV internal reference, which means that each step of the Converter is a millivolt.

Asimismo para medir la posición de la punta respecto de la superficie del suelo, se realiza mediante el contaje del número de vueltas que ha girado el tornillo desde una situación inicial de la tuerca. El número de vueltas multiplicado por el paso del husillo (p = 0,5 cm), da la posición. Esta operación se realiza mediante un codificador óptico (Encoder óptico modelo 360 P/W ¼'' S), con dos salidas digitales desfasadas 90º, lo que permite determinar el sentido de giro del husillo.Also to measure the position of the tip With respect to the soil surface, it is done by counting of the number of turns the screw has turned from a situation initial nut. The number of laps multiplied by the step of the spindle (p = 0.5 cm), gives the position. This operation is performed. using an optical encoder (Optical encoder model 360 P / W ¼ '' S), with two digital outputs 90º out of phase, which allows Determine the direction of rotation of the spindle.

Para la gestión del encoder se utiliza un microcontrolador PIC 16F84-A/20, que empleando las interrupciones por cambio de estado de los pines correspondientes al nibble alto del puerto B de este dispositivo. Para una comunicación eficiente con el PC, se ha seleccionado capaz de efectuar 5 millones de instrucciones por segundo (cristal de 20 MHz).For encoder management a PIC microcontroller 16F84-A / 20, which using the interruptions due to change of state of the corresponding pins to the high nibble of port B of this device. For one Efficient communication with the PC, has been selected capable of perform 5 million instructions per second (crystal of 20 MHz)

La conexión del penetrómetro al PC lo hace a través del puerto paralelo, al disponer este de un elevado número de líneas, que hacen mas eficiente la comunicación.The penetrometer connection to the PC makes it a through the parallel port, as this has a large number of lines, which make communication more efficient.

La disposición de los captadores y acondicionadores se muestra en la figura 5.The arrangement of the collectors and conditioners are shown in figure 5.

El control de la velocidad de avance de la punta se realiza manteniendo la velocidad de giro aproximadamente constante, aportando mayor o menor intensidad de corriente al observar un dial que nos marcará la tendencia a bajar o subir ésta velocidad de giro cuando aumente o disminuya respectivamente el par resistente al ir penetrando la punta.The control of the speed of advance of the tip it is done maintaining the speed of rotation approximately constant, providing greater or lesser current intensity to the observe a dial that will mark the tendency to lower or raise it turning speed when the torque increases or decreases respectively resistant to penetrate the tip.

3. Software de volcado y procesamiento de la información3. Dump and processing software information

Se han desarrollado dos programas:Two programs have been developed:

a.- Programa para el dispositivo de control programable, en lenguaje ensamblador, basado en una rutina adscrita al servicio de interrupción por hardware.a.- Program for the control device programmable, in assembly language, based on an attached routine to the hardware interrupt service.

b.- Programa de control, visualización y registro de los ensayos, en Visual Basic, cuyas funciones son, enlaza mediante el uso de una DLL, el PC con el penetrómetro, realiza el protocolo de comunicación, con el convertidor A/D, permite la obtención de los datos de posición (profundidad), procesados por el microcontrolador y permitir la grabación de los datos obtenidos en un fichero en formato ASCII.b.- Control, visualization and registration of the tests, in Visual Basic, whose functions are, link by using a DLL, the PC with the penetrometer, Performs the communication protocol, with the A / D converter, allows to obtain position data (depth), processed by the microcontroller and allow the recording of data obtained in a file in ASCII format.

Modo de realización de la invenciónEmbodiment of the invention

En la figura 1 se muestra a título de ejemplo las partes físicas que componen el equipo. El soporte esta realizada por perfiles cuadrados de acero galvanizado, una placa base de 3 mm de espesor con patas a modo de garras, como se muestran en la figura 2. Adosado a este fuste y pudiéndose elegir distintas posiciones, se acopla el mecanismo de tuerca-husillo (figura 3 y 4) que consta de un tubo exterior de perfil cuadrado de 40 x 40 mm, que lleva internamente un tornillo o husillo que tendrá una longitud de 50 cm y un paso helicoidal p = 0,5 cm/vuelta, este recorre longitudinalmente el tubo exterior y apoya por el extremo superior en un cojinete axial que cierra a este tubo, emergiendo al exterior un acoplamiento rápido del motor impulsor dentro de un engranaje de 28 dientes de plástico. La tuerca del tornillo (husillo), se solidariza con el tubo concéntrico interior, de tal manera que al hacer girar el tornillo y siendo la tuerca la parte móvil ésta se desplaza por el interior del tubo de mayor diámetro arrastrando al tubo interior, que se desplaza telescópicamente hacia arriba o hacia abajo según el sentido de giro del motor.Figure 1 shows as an example the physical parts that make up the equipment. The support is made by square galvanized steel profiles, a plate 3 mm thick base with claw-like legs, as shown  in figure 2. Attached to this shaft and being able to choose different positions, the mechanism of spindle nut (figure 3 and 4) consisting of a tube 40 x 40 mm square profile exterior, which carries internally a screw or spindle that will have a length of 50 cm and a step helical p = 0.5 cm / turn, this runs longitudinally the outer tube and supports at the upper end in an axial bearing which closes this tube, emerging a coupling fast drive motor inside a 28 tooth gear plastic. The screw nut (spindle) is in solidarity with the inner concentric tube, such that by rotating the screw and the nut being the moving part it moves through the inner tube of larger diameter dragging to the inner tube, that moves telescopically up or down depending on the direction of rotation of the motor.

El tubo interior móvil llevará en su base una célula de carga a base de galgas extensométricas, de 2450 N que permitirá medir la fuerza que se va ejerciendo cuando la punta cónica penetra en el suelo. Adosado al engranaje donde se acopla el motor impulsor, está otro engranaje de igual número de dientes (mismo diámetro) insertado en el eje del encoder óptico, de manera que el movimiento de giro es transmitido al encoder y permitirá medir la posición de la punta cónica mientras penetra en el suelo.The mobile inner tube will have a load cell based on strain gauges, 2450 N which it will allow to measure the force that is exerted when the tip Conical penetrates the ground. Attached to the gear where the drive motor, is another gear of equal number of teeth (same diameter) inserted in the axis of the optical encoder, so that the turning movement is transmitted to the encoder and will allow measure the position of the conical tip while penetrating the ground.

Tanto las dimensiones del vástago y del cono como del procedimiento del ensayo están estandarizados según las norma ASAE Standard S313.3. Soil cone penetrometer, de 1.999.Both rod and cone dimensions as of the test procedure they are standardized according to ASAE Standard S313.3. Soil cone penetrometer, 1999.

La parte electrónica está compuesta por captadores y acondicionadores electrónicos cuyas disposición se muestra en la figura 5. La alimentación se realiza mediante dos baterías de 12 V puestas en serie ya que el acondicionador requiere 24 V de alimentación.The electronic part is composed of electronic sensors and conditioners whose arrangement is shown in figure 5. The feeding is done by two 12V batteries put in series since the conditioner requires 24V power

El software necesario está explicado en el apartado 2.3.The necessary software is explained in the section 2.3.

Claims (6)

1. Modelo de "Penetrómetro portátil, equipado con mecanismo de husillo, para usos agrícolas, gestionado con microcontrolador y ordenador", caracterizado porque su tamaño, configuración y peso, lo hace un instrumento de medida portable por un solo operario y su accionamiento es con un motor eléctrico que funciona con baterías.1. Model of "Portable Penetrometer, equipped with spindle mechanism, for agricultural uses, managed with microcontroller and computer", characterized in that its size, configuration and weight, makes it a portable measuring instrument by a single operator and its operation is with An electric motor that runs on batteries. 2. Modelo de "Penetrómetro portátil, equipado con mecanismo de husillo, para usos agrícolas, gestionado con microcontrolador y ordenador" según reivindicación 1, caracterizado por disponer de una estructura soporte con la configuración y disposición reflejadas en las figuras que se muestran y un sistema de guía móvil para seleccionar diferentes alturas de trabajo y asimismo, posición de transporte.2. Model of "Portable Penetrometer, equipped with spindle mechanism, for agricultural uses, managed with microcontroller and computer" according to claim 1, characterized by having a support structure with the configuration and arrangement reflected in the figures shown and a system of mobile guide to select different working heights and also, transport position. 3. Modelo de "Penetrómetro portátil, equipado con mecanismo de husillo, para usos agrícolas, gestionado con microcontrolador y ordenador" según reivindicaciones 1 y 2, caracterizado por disponer de un mecanismo de tornillo-husillo como medio de transformar un movimiento de rotación en otro de translación. En el caso que se presenta el vástago del tornillo recibe el giro del motor eléctrico y la tuerca se desplaza axialmente a lo largo del tornillo.3. Model of "Portable Penetrometer, equipped with spindle mechanism, for agricultural uses, managed with microcontroller and computer" according to claims 1 and 2, characterized by having a screw-spindle mechanism as a means of transforming a rotation movement into another of translation. In the case that the screw rod is presented, it receives the rotation of the electric motor and the nut moves axially along the screw. 4. Modelo de "Penetrómetro portátil, equipado con mecanismo de husillo, para usos agrícolas, gestionado con microcontrolador y ordenador" según reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por equipar una célula de carga comercial como dispositivo captador de las fuerzas de penetración y un dispositivo de los denominados Encoder para conocer la posición de la punta cónica en el proceso de penetración.4. Model of "Portable Penetrometer, equipped with spindle mechanism, for agricultural uses, managed with microcontroller and computer" according to claims 1 to 3, characterized by equipping a commercial load cell as a sensor for penetrating forces and a device for the so-called Encoder to know the position of the conical tip in the penetration process. 5. Modelo de "Penetrómetro portátil, equipado con mecanismo de husillo, para usos agrícolas, gestionado con microcontrolador y ordenador" según reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por mostrar la gráfica IC-Profundidad, simultáneamente al ensayo, en la pantalla de un ordenador portátil (PC), pudiendo ser almacenada, o eliminada de la memoria de este.5. Model of "Portable Penetrometer, equipped with spindle mechanism, for agricultural uses, managed with microcontroller and computer" according to claims 1 to 4, characterized by displaying the IC-Depth graph, simultaneously to the test, on the screen of a laptop (PC), being able to be stored, or deleted from its memory. 6. Modelo de "Penetrómetro portátil, equipado con mecanismo de husillo, para usos agrícolas, gestionado con microcontrolador y ordenador" según reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por incorporar para su correcto funcionamiento los siguientes elementos, como parte del hardware así como su ubicación física en el aparato:6. Model of "Portable Penetrometer, equipped with spindle mechanism, for agricultural uses, managed with microcontroller and computer" according to claims 1 to 5, characterized by incorporating the following elements for proper operation, as part of the hardware as well as its physical location on the device: Célula de carga.Load cell. Encoder óptico de alta resolución.High resolution optical encoder. Acondicionador de señal para la célula de carga, que amplifique la señal de salida y asimismo alimente a la tensión recomendada a esta Célula.Signal conditioner for the load cell, that amplifies the output signal and also feeds the voltage recommended to this cell. Convertidor analógico digital (A/D).Digital analog converter (A / D). Microcontrolador de arquitectura RISC.RISC architecture microcontroller. Conexión con el Ordenador mediante el puerto paralelo de éste.Connection to the computer through the port parallel of this one. Baterías de alimentación del equipo y el propio ordenador portátil.Equipment and own power batteries laptop.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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GB2314636A (en) * 1996-06-25 1998-01-07 Grasswing Engineering Limited Soil testing probe machine
US5726349A (en) * 1995-05-18 1998-03-10 United States Army Corps Of Engineers As Represented By The Secretary Of The Army Automated cone penetrometer

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