CZ20252U1 - Přístroj pro měření utužení půdy s laserovým snímáním hloubky - laserový penetrometr - Google Patents

Description

Přístroj pro měření utužení půdy s laserovým snímáním hloubky - laserový penetrometr

Oblast techniky

Technické řešení se týká přístroje pro měření utužení půdy, který je možno využít v zemědělství, lesnictví a stavebnictví.

Dosavadní stav techniky

V rámci projektu „Fyzikální vlastnosti půdy - Stanovení utužení půdy a možnosti použití orební nebo bezorební technologie“ vznikla potřeba nalezení dostatečně expeditivní metody ke sledování zhutnění půdy. Jednou z možností je měření prováděné laboratorní metodou za použití fyzikálních válečků. Tato metoda se ukázala jako velmi přesná a objektivní, ale pro terénní využití je io příliš pracná, a je tak složité získat dostatek podkladů pro vyhodnocení výsledků. Proto jsme přistoupili ke zkouškám penetrometrické elektronické sondy (dále jen penetrometr). Využití penetrometru je možné také pří silážování nebo senážování zemědělských materiálů, ve stavebnictví a v lesnictví.

Zhutňování půd je působeno řadou příčin. Primární zhutnění je vyvoláno vlastní hmotností půdy a jejím celkově nepříznivým zmitostním složením. Druhotné zhutnění je způsobeno hospodářskou činností na půdě. Jeho bezprostřední příčinou jsou mechanické účinky spojené s dopravou po pozemku a obděláváním půdy. V širších souvislostech jde o více příčin, jako je nesprávné množství a sortiment hnoj i v, nedostatečné a nesprávné vápnění, nízké zastoupení víceletých pícnin, nedostatky v hnojení statkovými hnojivý, nepřiměřená velikost honů atd. Zhutňování půd je kumulativní proces, v němž se sčítají nepříznivé tlaky na půdu.

Zjišťování skutečného výskytu zhutnění, jeho obsahu, intenzity a hloubky je potřebné k volbě vhodného zúrodňovacího opatření nebo pro volbu vhodné technologie zpracování půdy, prip. pro zavedení minimálního zpracování půdy u bezorebného setí. Pro praktické potřeby jsou dnes použitelné tyto metody zjišťování zhutnění:

- empirické pozorování vnějších projevů zhutnění,

- laboratorní rozbor fyzikálních vlastností odebraných vzorků a měření objemové hmotnosti půdy,

- měření pomocí penetrometru.

Penetrometrie je poměrně jednoduchá metoda, která se nejvíce využívá pro polní diagnózu škod30 livého zhutnění půd. Její princip je založen na měření odporu půdy proti vnikání (penetraci) kuželovitého tělesa. Velikost odporuje udávána v Pa.

Penetrační odpor silně závisí na obsahu vody, který je při uvádění tohoto údaje nutno specifikovat.

Odpor půdy vůči pronikání kužele penetrometru je zjišťován především kvůli posouzení stupně zhutnění půdy. Zjišťováním penetračního odporu můžeme např. usuzovat na odpor půdy při jejím zpracování a na stupeň obtížnosti kypření půdy. Při měření se vychází z toho, že penetrační odpor je přímo úměrný hustotě uložení půdních částic, a že souvisí s objemovou hmotností a pórovitostí půdy. To však platí pouze při určité zrnitosti a vlhkosti půdy. Penetrometrie je doporučována jako vhodná diagnostická metoda pro zjišťování zhutnělých vrstev v půdním profilu.

Výhodou měření penetrometrem je snadné dosažení dostatečného počtu měření a možnost posouzení průběhu odporu do hloubky. Měření penetrometrem je však znemožněno na pozemcích s větším obsahem kamenů a štěrku v ornici a podomičí.

-1 CZ 20252 U1

Tab. 1: Klasifikace penetrometrů

Typ penetrometrů	Největší výhoda metody	Rychlost	Poznámka
Statický	S přírůstkovým konstrukčním zatížením	0	Extrémně pomalý
Kvazistický	Hydraulický nebo mechanický	l až 2 cm.s'1	Základna kužele 10 cm2, úhel 60°
Dynamický	Ráz padajícího závaží	Různá	Různé velikosti kužele, závaží atd.
Kvazistický a dynamický	Kombinace kvazistatického a dynamického		Použití speciálních hrotů

Podstata technického řečení

Přístroj pro měření utužení půdy s laserovým snímáním hloubky - laserový penetrometr je tvořen jehlou s hrotem definovaného tvaru (průřezu) vtlačovanou pomocí madel do měřeného materiálu, tenzometrickým dynamometrickým Čidlem snímajícím sílu vtlačování, laserovým snímačem vzdálenosti s odrazovým terčem, který určuje hloubku měření, modulární vyhodnocovací jednotkou s modulem zesilovače výstupního napětí z tenzometrického dynamometrického čidla, modulem převodníku napětí/frekvence, mikroprocesorem s programovým čítačem impulzů a displejem zobrazujícím hodnoty tlaku vtlačování a hloubky.

io Uvedené technické řešení umožňuje rychlé zjištění zhutnění půdy v reálném čase v požadovaných hloubkách a zároveň i snadné zpracování naměřených dat v podobě textových souborů s využitím PC, např. programem MICROSOFT Excel. Síla nutná při zapravování jehly do zkoumaného materiálu je měřena pomocí tenzometrického čidla. Tato síla způsobuje změnu elektrického odporu můstku Čidla a následně i změnu výstupního napětí, které je zesíleno zesilovačem a i5 převodníkem napětí/frekvence převedeno na impulzy. Frekvence impulzů je pak zpracovávána programovým čítačem procesoru. Jednotlivá měření jsou spouštěna procesorem po vyhodnocení naměřené hloubky laserovým snímačem vzdálenosti v programem nastavených intervalech. Data z převodníku napětí/frekvence jsou ukládána zároveň s údaji o hloubce jednak do paměti RAM procesoru a při použití příslušného tlačítka i do paměti EEPROM. V paměti RAM jsou uloženy hodnoty jen z měření jednoho vpichu, které se vždy přepisují následným měřením a bezprostředně po měření je lze číst opakovaným stiskem příslušného tlačítka. Hodnoty tlaku (v MPa) jsou zobrazovány na displeji penetrometrů včetně údaje o hloubce (v cm), ve které byly naměřeny. Hodnoty všech správně provedených měření (vpichů) jsou uloženy do paměti EEPROM. Z paměti EEPROM jsou hodnoty po propojení s PC prostřednictvím RS 232 pomocí programu ulože25 ného v procesoru penetrometrů přeneseny do textového souboru, který lze dále zpracovávat v PC.

Přehled obrázků na výkresech

Technické řešení je blíže osvětleno pomocí výkresů, na kterých obrázek 1 znázorňuje mechanickou část a obrázek 2 modulární vyhodnocovací jednotku laserového penetrometrů.

Příklad provedeni technického řešení

Přístroj pro měření utužení půdy s laserovým snímáním hloubky - laserový penetrometr je tvořen jehlou X s hrotem definovaného tvaru (průřezu) vtlačovanou pomocí madel 19 do měřeného materiálu, tenzometrickým dynamometrickým čidlem 2 snímajícím sílu vtlačování, laserovým snímačem 3 vzdálenosti s odrazovým terčem 5, který určuje hloubku měření, modulární vyhodno35 covací jednotkou 4 s modulem zesilovače 6 výstupního napětí z tenzometrického dynamometrického čidla 2, modulem převodníku 7 napětí/frekvence, mikroprocesorem 8 s programovým čítačem impulzů a displejem 9 zobrazujícím hodnoty tlaku vtlačování a hloubky.

-2CZ 20252 Ul

Měřicí jehla 1 je tyč kruhového průřezu zakončená měřicím hrotem z tvrdé ocele definovaného průřezu. Hloubka měření je určována laserovým snímačem 3 vzdálenosti s odrazovým terčem 5. Odrazový terč 5 je kruhového tvaru a je umístěn posuvně na jehle 1. Při měření je jehla 1 vtlačována do sledovaného materiálu a současně se po jehle 1 posouvá odrazový terč 5, který zůstává na povrchu. Odrazem paprsku laserového snímače 3 vzdálenosti od odrazového terče 5 je měřena hloubka jehly 1 v materiálu. Měřenou hloubku jehly 1 vyhodnocuje modul procesoru 8 a zároveň spouští měření síly v určitých programem nastavených intervalech (např. po 10 mm).

Součástí laserového penetrometru je modulární vyhodnocovací jednotka 4 s jednotlivými moduly. Modul zesilovače 6 zesiluje napětí z tenzometrického dynamometrického čidla 2. Následně io modul převodníku 7 napětí/frekvence převede zesílené napětí na impulzy, jejichž počet za časovou jednotku (frekvence) je v lineární závislosti k síle působící na jehlu I. V modulární vyhodnocovací jednotce 4 je dále umístěn modul mikroprocesoru 8, kde jsou impulzy z modulu převodníku 7 napětí/frekvence zpracovány programem tak, že na čtyřmístném displeji 9 se zobrazí údaj o hloubce jehly 1 v sledovaném materiálu v cm na levém dvojčíslí a údaj o tlaku v MPa potřebném k vtlačení jehly 1 na pravém dvojčíslí. Uvedené údaje jsou zobrazovány na displeji 9 během měření v jednotlivých hloubkách a po jeho skončení lze tyto údaje číst z paměti mikroprocesoru 8 pomocí tlačítka 10. Druhé tlačítko H zajišťuje inicializaci přístroje před jednotlivými měřeními - vpichy. Přístroj je vybaven pamětí 13 EEPROM, kam je možno zaznamenat 998 měření - vpichů. Pro záznam jednotlivých měření do paměti 13 EEPROM je používáno třetí tla20 čítko 12. Po provedeném měření - vpichu se stisknutím tohoto tlačítka 12 uloží naměřené hodnoty do paměti 13 EEPROM společně s údaji o zeměpisné poloze, čase, nadmořské výšce z modulu GPS 20 a na displeji 9 je zobrazena adresa od 1 do 998, kam bylo měření uloženo. Obsluha tak má kontrolu nad plněním paměti Π EEPROM, Je-li paměť 13 EEPROM naplněna, je tento stav oznámen zvukovým signálem pomocí piezoelementu 16 a přístrojem nelze dále měřit. Pa25 měť 13 EEPROM lze vymazat stiskem tlačítka H po dobu cca 10 sec. po zapnutí přístroje a před měřením. Součástí penetrometru je program, který řídí popsaný proces. Přenos dat do PC je prováděn sériovým portem RS 232 tak, že vypnutý přístroj se připojí kabelem k PC. Po zapnutí přístroje a se stiskem třetího tlačítka 12 je proveden přenos dat z přístroje do PC. Penetrometr je vybaven kontrolou stavu baterie T7 a kontrolou maximální rychlosti vtlačování jehly 1 do měře30 ného materiálu. V případě, že baterie 17 je vybitá, je aktivován zvukový signál, dále již nelze měřit a data je nutno co nejdříve uložit do PC. Zvukový signál zazní i v případě, kdy je jehla 1 penetrometru vtlačována do měřeného materiálu příliš rychle. Tento chybový stav se dá odstranit inicializací přístroje stiskem druhého tlačítka TU Napájení penetrometru je zajištěno baterií 17 s vypínačem 18.

Claims (2)

1. 35 NÁROKY NA OCHRANU

   1. Přístroj pro měření utužení půdy s laserovým snímáním hloubky - laserový penetrometr, vyznačující se tím, že je tvořen jednak jehlou (1) vtlačovanou do měřeného materiálu, spojenou s tenzometrickým dynamometrickým čidlem (2), a propojenou s modulární vyhodnocovací jednotkou (4), a jednak laserovým snímačem vzdálenosti (3) s odrazovým terčem

   40 (5) umístěným posuvně na jehle (1).
2. 2. Přístroj podle nároku 1, vyznačující se tím, že modulární vyhodnocovací jednotka (4) je složena z propojených modulů tenzometrického zesilovače (6) napětí, převodníku (7) napětí/frekvence, mikroprocesoru (8) s čítačem impulzů a s programem jejích převodu na hodnotu tlaku, z ovládacích tlačítek (10), (11), (12), displeje (9) zobrazujícího hodnoty tlaku a

   45 hloubky, piezoelementu (16), modulu (20) GPS a z paměti (13) EEPROM pro uložení naměřených hodnot.