PL219266B1

PL219266B1 - Sposób monitorowania oprysku agrotechnicznego polegający na wykrywaniu w atmosferze obecności substancji chemicznych w postaci wodnych aerozoli i układ do stosowania tego sposobu

Info

Publication number: PL219266B1
Application number: PL393498A
Authority: PL
Inventors: Bolesław Sobkowiak; Wiesław Gallewicz; Mirosław Maziejuk; Stefan Ziętek; Tadeusz Pawłowski; Zdzisław Popławski
Original assignee: Przemysłowy Inst Masz Rolniczych; Przemysłowy Instytut Maszyn Rolniczych
Priority date: 2010-12-30
Filing date: 2010-12-30
Publication date: 2015-04-30
Also published as: WO2012091580A1; PL393498A1; EP2659261A1

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób monitorowania oprysku agrotechnicznego polegający na wykrywaniu w atmosferze obecności substancji chemicznych w postaci wodnych aerozoli i układ do stosowania tego sposobu.

Do niedawna nadmierne zużycie cieczy podczas oprysku agrotechnicznego roślin rozpatrywano jako źródło dodatkowych strat w wymiarze ekonomicznym, w tym również jako zagrożenie powstania strat w sąsiednich uprawach, jak również w wymiarze ekologicznym, to jest mogącym wywołać zagrożenie dla zdrowia ludzi, zwierząt, czystości wód, gleby i powietrza.

Obecnie kontrolę znoszenia cieczy technologicznej poza opryskiwany obszar prowadzi się metodami chemicznymi. Do wychwytywania znoszonych kropel aerozolu stosuje się wiele różnych próbników, przeważnie statycznych, np. karty papierowe, celofanowe, naczyńka z olejem silikonowym, płytki szklane, plastyfikowane wycinki taśmy filmowej, papier fotograficzny, taśmy papierowe rozkładane poziomo, rurki polistyrenowe. Wadą tych próbników statycznych jest ich mały współczynnik wychwytywania, szczególnie drobnych kropel aerozolu przy małych prędkościach wiatru.

Znane są również urządzenia przemieszczające próbnik lub zasysające powietrze, które przechodząc przez urządzenie pomiarowe z prędkością równą prędkości wiatru, powodują osadzanie się kropel aerozolu cieczy technologicznej na bibule filtracyjnej. Próbniki rozmieszczane są poziomo, pionowo, na uprawie, glebie lub specjalnych urządzeniach: masztach, stojakach, balonach lub samolotach. Analiza materiału osiadłego na próbnikach prowadzona jest metodami chemicznymi: kolorymetryczną, fluorymetryczną, a także metodami chromatografii gazowo-cieczowej.

Używane obecnie metody pomiaru niezamierzonego znoszenia cieczy technologicznej, stwierdzanego na podstawie analiz chemicznych, charakteryzują się następującymi niedogodnościami:

- znaczną czasochłonnością, związaną z rozłożeniem i zebraniem dużej liczby próbników, dużymi nakładami na aparaturę pomiarową i badawczą, następnie dostarczeniem ich do laboratorium i przeprowadzeniem pracochłonnych analiz,

- pomiary wielkości znoszenia cieczy technologicznej prowadzone są tylko przez jednostki badawcze, posiadające specjalistyczne laboratoria,

- rolnik, prowadzący zabieg oprysku roślin, nie ma możliwości korygowania na bieżąco parametrów oprysku, ze względu na brak informacji o znoszeniu cieczy technologicznej podczas prowadzenia zabiegu.

Znany jest z polskiego opisu zgłoszeniowego nr P.383780 sposób wykrywania obecności w atmosferze substancji chemicznych w postaci aerozoli lub gazów, w którym dwie wiązki promieniowania laserowego o różnej długości fali kieruje się w miejsce gdzie może występować rozpylona substancja, a po odbiciu promieniowania laserów od obiektu znajdującego się za chmurą zawierającą rozpyloną substancję mierzy się natężenie promieniowania sygnału odbitego, charakteryzuje się tym, że sygnały generowane przez dwa lasery, z których jeden jest sygnałem wzorcowym, a drugi sygnałem pomiarowym, przed skierowaniem w monitorowany obszar koduje się, a następnie kod zapamiętuje się w układzie przetwarzania sygnałów, zaś po odebraniu sygnałów echa obu wiązek laserowych oblicza się wartości funkcji korelacji sygnału wzorcowego i pomiarowego z sygnałami odniesienia, zapamiętanymi w układzie przetwarzania sygnałów i określa się stosunek wartości funkcji korelacji sygnału wzorcowego i pomiarowego oraz wyznacza czas, jaki upłynął od momentu wysyłania sygnałów laserowych do momentu, gdy wartość funkcji korelacji osiąga wartość maksymalną, po czym z wartości stosunku funkcji korelacji sygnału wzorcowego i pomiarowego określa się stężenie badanej substancji, a na podstawie zmierzonego czasu jaki upłynął od momentu wysyłania sygnałów laserowych do momentu gdy wartość funkcji korelacji osiąga wartość maksymalną określa się odległość od urządzenia pomiarowego do miejsca gdzie wykryto rozpyloną substancję lub obiektu odbijającego promieniowanie laserowe. Opisane rozwiązanie dotyczy urządzenia zwanego lidarem. Użycie go do pomiaru procesu znoszenia cieczy w trakcie oprysków rolniczych jest możliwe, jednak lidar jest urządzeniem bardzo drogim i opartym na innej zasadzie działania.

Istota sposobu według wynalazku polega na tym, że przez badany obszar przepuszcza się wiązkę co najmniej 50 impulsów promieniowania elektromagnetycznego o długości fali od 600 do 650 nm, korzystnie 635 nm, modulowaną falą prostokątną, korzystnie o wypełnieniu 50% i częstotliwości 1 kHz, po czym określa się amplitudę każdego impulsu z toru odbiorczego oraz dokonuje się wyznaczenia wielkości osłabienia wiązki promieniowania elektromagnetycznego, a następnie, na podstawie określonych

PL 219 266 B1 wcześniej współczynników osłabienia wiązki promieniowania za pomocą aerozolu wodnego środka agrotechnicznego zastosowanego do oprysku, wyznacza się wartość stężenia oprysku w atmosferze.

Istota układu według wynalazku polega na tym, że w nadajniku wyjście generatora fali prostokątnej połączone jest z wejściem wzmacniacza, a wyjście wzmacniacza połączone jest ze źródłem promieniowania, natomiast w odbiorniku wyjście przetwornika światło/napięcie połączone jest z wejściem wzmacniacza I stopnia, zaś wyście wzmacniacza I stopnia połączone jest z wejściem wzmacniacza II stopnia z ograniczeniem górnej częstotliwości do 10 kHz poprzez filtr górnoprzepustowy dla częstotliwości powyżej 200 Hz, a wyjście wzmacniacza II stopnia połączone jest z pierwszym wejściem przetwornika analog/cyfra, jednocześnie wyjście z przetwornika światło/napięcie połączone jest z drugim wejściem przetwornika analog/cyfra, równocześnie wyjścia przetwornika analog/cyfra połączone są z modułem przetwarzana i zbierania danych.

W pierwszej odmianie układu źródłem promieniowania jest dioda elektroluminescencyjna o długości fali od 600 do 650 nm, korzystnie 635 nm.

W drugiej odmianie układu źródłem promieniowania jest dioda laserowa o długości fali od 600 do 650 nm, korzystnie 635 nm.

Rozwiązanie według wynalazku wykorzystuje układ optyczny do pomiaru transmisji, w którym zastosowano elektroniczną modulację światła oraz zastosowano liniowy przetwornik światło/napięcie, stałą bazę pomiarową oraz algorytm obróbki sygnału pomiarowego co umożliwia wyznaczanie transmisji światła przy różnym oświetleniu tła, a ponadto zastosowanie selektywnego odbiornika, ściśle dopasowanego do nadajnika LED, znacznie powiększa zakres oświetlenia tła.

Przedmiot wynalazku uwidoczniony jest na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia zestaw pomiarowy z diodami elektroluminescencyjnymi, w którym nadajnik i odbiornik umocowany jest na wspólnej konstrukcji osadzanej w gruncie w miejscu obszaru pomiarowego, fig. 2 - zestaw pomiarowy z laserem diodowym, w którym nadajnik oraz odbiornik umocowane są na oddzielnych konstrukcjach osadzanych w gruncie w miejscu obszaru pomiarowego, fig. 3 przedstawia układ na schemacie blokowym realizujący sposób według wynalazku, fig. 4 - schemat blokowy nadajnika, fig. 5 - schemat blokowy odbiornika, fig. 6 - algorytm przetwarzania sygnału i wyznaczania transmisji, fig. 7 - charakterystykę widmową współczynnika absorpcji dla wody destylowanej, fig. 8 - transmisję sygnału optycznego, w obszarze pomiarowym „a” i w obszarze pomiarowym „b”.

Zestaw pomiarowy z diodą luminescencyjną zbudowany jest ze słupa 1, belki poprzecznej 2, na której zamontowany jest nadajnik 4, i odbiornik 5 na kotwach 3. Na słupie 1 zamontowany jest blok zasilająco-sterujący 6 do obsługi nadajnika 4 oraz blok zasilający wraz z układem zbierania i analizy danych 8 z odbiornika 5. Oś optyczna wiązki promieniowania elektromagnetycznego 1 wychodząca z nadajnika 4 do odbiornika 5 leży na jednej prostej, a odległość „I” między nimi jest regulowana przez przesuw nadajnika 4 i/lub odbiornika 5 na belce poprzecznej 2, co umożliwia zmianę czułości urządzenia. Aerozol przepływający w osi optycznej wiązki promieniowania elektromagnetycznego 7 między emiterem i detektorem powoduje osłabienie sygnału świetlnego, proporcjonalne do ilości przepływającej substancji.

Zestaw pomiarowy z diodą laserową, według fig. 2, składa się z dwóch słupów 1, z czego na jednym słupie zamontowany jest nadajnik 4 i blok zasilająco sterujący 6, a na drugim słupie zamocowany jest odbiornik 5, blok zasilający wraz z układem zbierania i analizy danych 8 z odbiornika 5.Do mocowania każdego słupa 1 w podłożu służy kotwa 3. Zestawy pomiarowe z diodą laserową tworzą pary pomiarowe, w których jeden zestaw wyposażony jest w nadajnik 4, a drugi zestaw w odbiornik 5.

Układ do monitorowania oprysku agrotechnicznego posiada nadajnik 4 i odbiornik 5 usytuowane względem siebie w osi optycznej przestrzeni pomiarowej oraz układ przetwarzana i zbierania danych 8 połączony dalej poprzez moduł komunikacji 9 z jednostka centralną 10, w którym nadajnik 4 zawiera generator fali prostokątnej 11, wzmacniacz 12, źródło promieniowania 13 z kolimatorem 14 przetwarzającym promieniowanie elektromagnetyczne na wiązkę równoległą, a odbiornik 5 zawiera kolimator 15 skupiający wiązkę, przetwornik światło/napięcie 16, wzmacniacz I stopnia 17, filtr 18, wzmacniacz II stopnia 19 oraz przetwornik analog/cyfra 20.

Sterowanie nadajnikiem 4 jest zrealizowane przy pomocy generatora fali prostokątnej 9 o wypełnieniu 50% częstotliwości 1 kHz. Sygnał ten jest podawany do diody elektroluminescencyjnej nadajnika. Zatem umożliwia on generowanie równoległej wiązki promieniowania, która to odbierana jest przez odbiornik 5 i nalizowana w systemie mikroprocesorowym jednostki centralnej.

Układ do określania znoszenia jest układem samoregulującym się, po etapie autotestu po czasie około 1 minuty urządzenie jest gotowe do pracy.

PL 219 266 B1

Autotest polega na określeniu poziomu odniesienia sygnału, określeniu 100% transmisji oraz określeniu ilości modułów podłączonych w sieci.

W nadajniku 4 zastosowano diodę elektroluminescencyjną o długości fali 635 nm, oraz o małym kącie rozbieżności w granicach kilku stopni, ponadto rozbieżność wiązki jest korygowana optyką. Zatem średnica wiązki jest średnicą soczewki korygującej, a więc sprawność układu nadawczoodbiorczego jest bardzo wysoka. Odbiornik 5 posiada konstrukcję mechaniczną identyczną jak nadajnik; w miejsce diody elektroluminescencyjnej umieszczony jest przetwornik światło/napięcie z naniesionym filtrem czerwonym, przepuszczającym promieniowanie świetlne o charakterystyce widmowej nadajnika.

Odbiornik zbudowano z przetwornika światło / napięcie typu TLR 257R, wzmacniacza dwustopniowego w oparciu o niskoszumowe wzmacniacze operacyjne typu TLC272. Sumaryczne wzmocnienie wynosi ok. 900, z odfiltrowaniem składowej stałą i wolnozmienną poniżej 200 Hz oraz wyższych częstotliwości powyżej 10 kHz, zatem układ wzmacniający jest również układem eliminacji zakłóceń. Sygnał następnie jest przekazywany do przetwornika analog/cyfra połączonego z układem zbierania i analizy danych i zrealizowany przy pomocy mikrokontrolera typu MSP430F35, który ma moduł komunikacji z jednostką centralną, połączony za pomocą portu transmisji szeregowej DART, oraz interfejsu komunikacyjnego - układ typu MAX 232.

Druga część eliminacji zakłóceń jest zawarta w algorytmie obsługi i wyznaczania transmisji. Algorytm pracy polega na analizie każdego impulsu z toru odbiorczego; pokazanego na fig. 6. Otrzymujemy wtedy dokładnie amplitudę każdego z impulsów. Po wyznaczeniu amplitudy dokonujemy wyznaczenia osłabienia wiązki nadajnika, by w końcu na podstawie wyznaczonych poprzednio współczynn ików osłabienia wiązki za pomocą aerozolu wodnego określić wyznaczyć wartość znoszenia oprysku. Na podstawie algorytmu obsługi określa się amplitudy kolejnych pięćdziesięciu impulsów. Zatem jeden pomiar transmisji jest wyznaczany co 50 msek.

Następnie wyznaczana jest transmisja za pomocą następującej zależności /(2)

T(ż-) ⁼ Τ7ϊ\ ^{= ex}P *0 (A)

Gdzie:

( ) - współczynnik osłabienia promieniowania zależny od długości fali c - stężenia aerozolu L - długość drogi optycznej

W naszym przypadku długość drogi optycznej jest stałą, natomiast współczynnik osłabienia może się zmieniać tylko w niewielkim, pomijalnym zakresie, w zależności od rozkładu aerodyspersyjnego kropel oprysku.

Wobec tego istotnym parametrem jest tylko stężenie, które mierzymy na podstawie spadku transmisji.

Współczynnik osłabienia promieniowania jest sumą osłabienia promieniowania w cząstkach wody oraz rozpraszaniem na aerozolu wodnym. Przykład pomiaru tłumienia sygnału optycznego przez aerozol wodny pokazany jest na fig. 8. Obszar pomiarów „a” przedstawia sytuację, kiedy system rejestruje szumy spowodowane przepływem aerozoli, które znajdują się w powietrzu. Szumy te powodują wahania natężenia promieniowania w zakresie ±2% obszar pomiarów „b” przedstawia wyniki z pomiarów, gdy występuje aerozol oprysku agrotechnicznego, którym jest 0,2% wodny roztwór Roundup 360SL. Tłumienie sygnału optycznego przekracza granicę naturalnych szumów i w pokazanym przypadku wynosi średnio ok. 20%.

Układ według wynalazku pozwalający na szybkie wyznaczenie niezamierzonego przenoszenia środków chemicznych, stosowanych przy opryskach roślin uprawnych, jest przyrządem pomiarowym, dlatego najbardziej istotna jest ocena, czy uzyskiwane zakresy i dokładności pomiarowe odpowiadają warunkom panującym podczas oprysku.

Zestawy pomiarowe zarówno laserowe, jak z diodami elektroluminescencyjnymi, mają pod tym względem zbliżone parametry, przy czym zestawy z diodą laserową charakteryzują się nieco większą czułością.

Na podstawie uzyskanych wyników badań podstawową charakterystykę rozwiązania zagadnienia technicznego określa się następująco;

Dolna granica zakresu pomiarowego - najmniejsza wykrywana koncentracja aerozolu, wynosi ok. 0,45 cm³/(m²/s).

PL 219 266 B1

Aby istniała możliwość weryfikacji tej wartości, należy określić, jaka jest koncentracja aerozolu w odległości 0,5 m od rozpylacza, to znaczy w jego typowej odległości od opryskiwanej powierzchni.

Przyjmujemy następujące dane wyjściowe:

- najczęściej stosowane są rozpylacze o wielkościach 02 do 04, dla których natężenie wypływu ₃ cieczy w zakresie stosowanych ciśnień roboczych wynosi: 0,4-1,8 dm /min,

- szerokość robocza rozpylacza wynosi 0,5 m

- najczęściej stosowane prędkości robocze: 4-8 km/h.

Po wykonaniu przeliczeń otrzymujemy koncentrację aerozolu w granicach 6-55 cm³/(m²/s).

Tak więc dla najczęściej stosowanych norm oprysku sposób i układ według wynalazku sygnalizuje pojawienie się zjawiska znoszenia cieczy roboczej kiedy znoszenie stanowi nie więcej niż 7,5% normy oprysku.

Górnej granicy nie określono. Badania i obliczenia prowadzone były dla poziomu koncentracji ae32 rozolu o wartości 35 cm³/(m²/s). Wtedy osłabienie transmisji strumienia świetlnego wynosi poniżej 40%. Możliwe byłoby więc dalsze rozszerzenie zakresu pomiarowego, jednak nie ma takiej potrzeby ze względów praktycznych,

- dokładność pomiaru. Aerozol przechodzący przez obszar pomiarowy charakteryzuje się zmienną koncentracją w krótkim okresie czasu, a więc i transmisja charakteryzuje się fluktuacjami. Duża liczba pomiarów pozwala jednak na uśrednienia wartości transmisji i uzyskany wynik pozwala na określenie koncentracji aerozolu z wystarczającą dokładnością do 0,2%.

Funkcjonalność zestawów pomiarowych. Pod względem łatwości obsługi zestawy pomiarowe optyczne laserowa i elektroluminescencyjna różnią się w sposób istotny. Podstawową wadą zestawu pomiarowego z diodą laserową, zwłaszcza w konfiguracji pionowej jest długi czas potrzebny do „wycelowania” laserów w detektory na dystansach dochodzących do 200 m. Jest to ograniczenie, które kwalifikuje zestawy pomiarowe laserowe do zastosowania tylko tam, gdzie po ustawieniu można je wykorzystywać wielokrotnie, a więc na poligonach badawczych. Konstrukcje nośne zestawów pomiarowych muszą być sztywne i stabilnie mocowane do podłoża.

Natomiast funkcjonalność zestawów pomiarowych elektroluminescencyjnych jest bardzo korzystna. Nadajnik i odbiornik strumienia świetlnego zamontowane są na wspólnej konstrukcji nośnej, co eliminuje wyżej opisane problemy. Wprawdzie dystans, na jakim prowadzony jest pomiar, odległość I - obecnie 1,5 m, jest znacznie mniejszy niż dla zestawów pomiarowych z diodą laserową - do 200 m, jednak różnicę tę można skompensować przez zastosowanie większej liczby zestawów pomiarowych z diodami elektroluminescencyjnymi, zwłaszcza, że są one znacznie tańsze i lżejsze. Rozstawienie pojedynczego zestawu pomiarowego elektroluminescencyjnego jest proste i polega na wciśnięciu go w podłoże i włączeniu zasilania.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób monitorowania oprysku agrotechnicznego, polegający na wykrywaniu w atmosferze obecności substancji chemicznych w postaci wodnych aerozoli, przy zastosowaniu nadajnika i odbiornika fal elektromagnetycznych, znamienny tym, że przez badany obszar przepuszcza się wiązkę co najmniej 5D impulsów promieniowania elektromagnetycznego o długości fali od 600 do 650 nm, korzystnie 635 nm, modulowaną falą prostokątną, korzystnie o wypełnieniu 50% i częstotliwości 1 kHz, po czym określa się amplitudę każdego impulsu z toru odbiorczego oraz dokonuje się wyznaczenia wielkości osłabienia wiązki promieniowania elektromagnetycznego, a następnie na podstawie określonych wcześniej współczynników osłabienia wiązki promieniowania za pomocą aerozolu wodnego środka agrotechnicznego, zastosowanego do oprysku, wyznacza się wartość stężenia oprysku w atmosferze.
2. Układ do monitorowania oprysku agrotechnicznego posiada nadajnik i odbiornik usytuowane względem siebie w osi optycznej przestrzeni pomiarowej, oraz układ przetwarzana i zbierania danych połączony dalej poprzez moduł komunikacji z jednostka centralną, w którym nadajnik zawiera generator fali prostokątnej, wzmacniacz, źródło promieniowania z kolimatorem przetwarzającym promieniowanie elektromagnetyczne na wiązkę równoległą, a odbiornik zawiera kolimator skupiający wiązkę, przetwornik światło/napięcie, wzmacniacz I stopnia, filtr, wzmacniacz II stopnia oraz przetwornik analog/cyfra, znamienny tym, że w nadajniku wyjście generatora fali prostokątnej połączone jest z wejściem wzmacniacza, a wyjście wzmacniacza połączone jest ze źródłem promieniowania, natomiast

PL 219 266 B1 w odbiorniku wyjście przetwornika światło / napięcie połączone jest z wejściem wzmacniacza I stopnia, zaś wyście wzmacniacza I stopnia połączone jest z wejściem wzmacniacza II stopnia z ograniczeniem górnej częstotliwości do 10 kHz poprzez filtr górnoprzepustowy dla częstotliwości powyżej 200 Hz, a wyjście wzmacniacza II stopnia połączone jest z pierwszym wejściem przetwornika analog/cyfra, jednocześnie wyjście z przetwornika światło/napięcie połączone jest z drugim wejściem przetwornika analog/cyfra, równocześnie wyjścia przetwornika analog/cyfra połączone są z modułem przetwarzana i zbierania danych.
3. Układ do pomiaru według zastrz. 2, znamienny tym, że źródłem promieniowania jest dioda elektroluminescencyjna o długości fali od 600 do 650 nm, korzystnie 635 nm.
4. Układ do pomiaru według zastrz. 2, znamienny tym, że źródłem promieniowania jest dioda laserowa o długości fali od 600 do 650 nm,