RU2013111641A

RU2013111641A - Устройство для внутрипочвенного измерения агротехнологических характеристик пахотного слоя почвы в движении

Info

Publication number: RU2013111641A
Application number: RU2013111641/13A
Authority: RU
Inventors: Игорь Петрович Ананьев; Виктор Семенович Зубец; Андрей Валерьевич Белов; Эдуард Васильевич Кувалдин; Анатолий Романович Кулибаба; Юрий Викторович Завитков; Юрий Игоревич Блохин
Priority date: 2013-03-06
Filing date: 2013-03-06
Publication date: 2014-09-20
Also published as: RU2537908C2

Abstract

1. Устройство для внутрипочвенного измерения агротехнологических характеристик пахотного слоя почвы в движении, содержащее несущую раму, соединенную со средством передвижения по полю, опорный элемент, установленный на раме и определяющий ее положение над почвой, размещенный на раме нож-щелерез, создающий при движении продольный щелевой канал в почве, измерительный блок с измерительными датчиками, выполненный вытянутым вдоль направления движения, одинаковой толщины с ножом-щелерезом, и установленный за ним в направлении движения, узел ступенчатой регулировки глубины положения измерительного блока в продольном щелевом канале при движении по полю, узел защиты измерительного блока от повреждения при наезде ножа-щелереза на препятствия, блок управления измерениями, сбора и преобразования измерительной информации, бортовой компьютер и приемник системы геопозиционирования для регистрации измерительной информации и картирования, отличающееся тем, что корпус измерительного блока выполнен в виде монолитной металлической пластины с заостренной и скошенной сверху вниз-назад лобовой передней кромкой, и жестко соединен с несущей рамой передней и задней стойками, при этом датчики врезаны в измерительный блок и размещены на его боковых стенках вдоль общей прямой линии с одинаковой глубиной расположения чувствительных (воспринимающих) элементов датчиков от поверхности почвы, опорный элемент выполнен в виде размещенной над измерительным блоком опорной лыжи, шарнирно соединенной с установленной на несущей раме стойкой, причем эта стойка закреплена на несущей раме с возможностью ступенчатого изменения задава

Claims

1. Устройство для внутрипочвенного измерения агротехнологических характеристик пахотного слоя почвы в движении, содержащее несущую раму, соединенную со средством передвижения по полю, опорный элемент, установленный на раме и определяющий ее положение над почвой, размещенный на раме нож-щелерез, создающий при движении продольный щелевой канал в почве, измерительный блок с измерительными датчиками, выполненный вытянутым вдоль направления движения, одинаковой толщины с ножом-щелерезом, и установленный за ним в направлении движения, узел ступенчатой регулировки глубины положения измерительного блока в продольном щелевом канале при движении по полю, узел защиты измерительного блока от повреждения при наезде ножа-щелереза на препятствия, блок управления измерениями, сбора и преобразования измерительной информации, бортовой компьютер и приемник системы геопозиционирования для регистрации измерительной информации и картирования, отличающееся тем, что корпус измерительного блока выполнен в виде монолитной металлической пластины с заостренной и скошенной сверху вниз-назад лобовой передней кромкой, и жестко соединен с несущей рамой передней и задней стойками, при этом датчики врезаны в измерительный блок и размещены на его боковых стенках вдоль общей прямой линии с одинаковой глубиной расположения чувствительных (воспринимающих) элементов датчиков от поверхности почвы, опорный элемент выполнен в виде размещенной над измерительным блоком опорной лыжи, шарнирно соединенной с установленной на несущей раме стойкой, причем эта стойка закреплена на несущей раме с возможностью ступенчатого изменения задаваемого расстояния между подошвой опорной лыжи и прямой горизонтальной линией с одинаковой глубиной расположения чувствительных элементов датчиков в измерительном блоке от поверхности почвы, вышеуказанный нож-щелерез, установленный на раме перед измерительным блоком, имеет осевое соединение с рамой, обеспечивающее образование общей вертикальной продольной плоскости симметрии с измерительным блоком, и выполнено с возможностью регулирования углового положения ножа-щелереза в этой плоскости, при этом нож с режущей кромкой имеет длину, обеспечивающую создание щелевого канала в почве глубиной, достаточной для погружения измерительного блока до упора опорной лыжи о поверхность почвы при любом задаваемом расстоянии между подошвой лыжи и горизонтальной линией положения датчиков и любом задаваемом угле установки ножа-щелереза, а верхняя концевая часть ножа-щелереза, расположенная по другую сторону осевого соединения, зафиксирована предохранительным срезным болтом в имеющемся на раме узле ступенчатой фиксации углового положения ножа-щелереза, причем этот узел снабжен упором для фиксации положения лезвия ножа-щелереза вдоль лобовой кромки измерительного блока при наезде на камень и срезании предохранительного фиксирующего болта, кроме того, для удержания измерительного блока в вертикальной плоскости его симметрии, совпадающей с направлением движения устройства, несущая рама снабжена жесткой сцепкой для соединения со средством передвижения по полю.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве средства передвижения использован трактор с гидравлической системой увеличения сцепного веса, обеспечивающей постоянное задаваемое усилие прижатия опорной лыжи к почве при измерении агротехнологических характеристик пахотного слоя почвы в движении.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве средства передвижения использован трактор с гидравлической системой, обеспечивающей заглубление устройства при движении до контакта опорной лыжи с почвой и дальнейший плавающий режим гидравлической системы без создания заглубляющего усилия на устройство, при этом на раме устройства установлен заглубляющий груз или короб для его размещения.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что стойка опорной лыжи выполнена телескопической с неподвижной частью, установленной на несущей раме с возможностью ступенчатого изменения расстояния между подошвой лыжи и датчиками, и подвижной частью, шарнирно соединенной с опорной лыжей, при этом стойка снабжена преобразователем силы прижатия опорной лыжи к почве в электрический сигнал, состоящим из нагрузочной Z-образной балки и тензочувствительного элемента, причем нагрузочная Z-образная балка соединена с подвижной и неподвижной частями телескопической стойки тягами, обеспечивающими растяжение балки под действием силы прижатия опорной лыжи к почве, а входные и выходные электрические цепи тензочувствительного элемента соединены с блоком управления измерениями, сбора и преобразования измерительной информации.

5. Устройство по п.1, содержащее установленный в измерительном блоке оптический датчик внутрипочвенной видимой - ближней инфракрасной спектроскопии на отражение, включающий источник света, сапфировое окно для освещения почвы и пропускания отраженного от нее света, волоконно-оптический кабель для приема отраженного от почвы света и направления его в спектрофотометр, размещенный на раме устройства, отличающееся тем, что датчик выполнен в виде полого фотометрического цилиндра с круглым входным отверстием на плоском дне цилиндра, против которого размещено установленное на кольцевом держателе круглое сапфировое окно, врезанное с держателем в измерительный блок заподлицо с его боковой стенкой, цилиндр закрыт крышкой, на внутренней стороне которой расположен упомянутый источник света, состоящий из равномерно распределенных по окружности миниатюрных ламп накаливания, крышка имеет центральное отверстие, в котором закреплен входной торец волоконно-оптического кабеля, и охватывающий входной торец обод-экран, препятствующий прямому прохождению излучения ламп накаливания на вход волоконно-оптического кабеля, причем оси сапфирового окна, входного отверстия на плоском дне цилиндра, центрального отверстия крышки, обода-экрана и центр окружности расположения ламп накаливания размещены на оси фотометрического цилиндра.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в измерительном блоке размещены, помимо датчика оптической внутрипочвенной видимой - ближней инфракрасной спектроскопии на отражение, по крайней мере, один, либо несколько, либо все из нижеследующих датчиков агротехнологических характеристик пахотного слоя почвы: емкостный или индуктивный датчик действительного и мнимого компонентов комплексной диэлектрической проницаемости, электропроводности и влагосодержания почвы, контактный датчик температуры почвы, датчик сопротивления горизонтальной пенетрации почвы, либо датчик сопротивления горизонтальной пенетрации почвы, совмещенный с емкостным датчиком измерения электрофизических характеристик почвы, уплотненной при движении датчиком сопротивления горизонтальной пенетрации, при этом датчик сопротивления горизонтальной пенетрации почвы, либо датчик сопротивления горизонтальной пенетрации почвы, совмещенный с емкостным датчиком измерения электрофизических характеристик почвы, уплотненной при движении датчиком сопротивления горизонтальной пенетрации, расположен последним в ряду датчиков от носовой части измерительного блока.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что емкостный датчик действительного и мнимого компонентов комплексной диэлектрической проницаемости, электропроводности и влагосодержания почвы выполнен в виде двух одинаковых расположенных соосно заподлицо с боковыми стенками измерительного блока круглых потенциальных электродов, изолированных кольцевыми диэлектрическими элементами от металлического монолитного корпуса измерительного блока, используемого в качестве корпусного электрода, при этом емкостный датчик подключен к входу двухкомпонентного диэлькометрического преобразователя, выходы которого связаны с блоком управления измерениями, сбора и преобразования измерительной информации.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что двухкомпонентный диэлькометрический преобразователь выполнен по схеме амплитудно-фазового разделения сигналов, используемых для вычисления действительного компонента комплексной диэлектрической проницаемости и электропроводности почвы, и содержит генератор синусоидального напряжения высокой частоты, к выходу которого подключен емкостный делитель, состоящий из постоянного конденсатора в верхнем плече и емкостного датчика в нижнем плече, к средней точке делителя подключен повторитель напряжения, выход которого связан с сигнальными входами двух фазовых детекторов, управляемых опорными напряжениями с выходов формирователей опорных напряжений, соединенных входами с выходом генератора синусоидального напряжения, при этом первый формирователь опорного напряжения, управляющий первым фазовым детектором, имеет на выходе опорное напряжение, синфазное с выходным напряжением высокочастотного генератора, а второй формирователь опорного напряжения, управляющий вторым фазовым детектором, имеет на выходе опорное напряжение, квадратурное по отношению к выходному напряжению высокочастотного генератора, вследствие чего постоянные напряжения на выходах детекторов пропорциональны синфазной и квадратурной с синусоидальным напряжением генератора составляющим напряжения на выходе делителя.

9. Устройство по п.7, отличающееся тем, что двухкомпонентный диэлькометрический преобразователь выполнен в виде автогенераторного двухкомпонентного диэлькометрического преобразователя с управляемым напряжением усилением усилителя колебаний и каналом инерционной стабилизации амплитуды колебаний на линейном участке амплитудной характеристики управляемого усилителя, при этом к выходу управляемого усилителя подключен делитель: резистор - параллельный колебательный контур с емкостным датчиком, средняя точка делителя подключена к входу управляемого усилителя с образованием цепи положительной обратной связи по напряжению, канал инерционной стабилизации амплитуды колебаний содержит амплитудный детектор выходного напряжения управляемого усилителя, источник опорного напряжения, схему сравнения выходного напряжения детектора с опорным напряжением и усилитель сигнала рассогласования, выход которого соединен с управляющим входом управляемого усилителя с образованием петли отрицательной обратной связи по огибающей амплитуд колебаний, а двумя информативными выходными параметрами автогенератора служат частота автоколебаний и модуль коэффициента передачи выходного делителя, либо частота автоколебаний и напряжение управления усилением управляемого усилителя.

10. Устройство по п.6, отличающееся тем, что индуктивный датчик действительного и мнимого компонентов комплексной диэлектрической проницаемости, электропроводности и влагосодержания почвы выполнен в виде двух одинаковых установленных соосно в круглых окнах измерительного блока кольцевых катушек индуктивности, изолированных диэлектрическими элементами от металлического корпуса измерительного блока, при этом индуктивный датчик подключен к входу двухкомпонентного диэлькометрического преобразователя, выходы которого связаны с блоком управления измерениями, сбора и преобразования измерительной информации.

11. Устройство по п.6, отличающееся тем, что контактный датчик температуры почвы выполнен в виде двух одинаковых установленных соосно заподлицо с боковыми стенками измерительного блока круглых теплоприемников, теплоизолированных от металлического корпуса измерительного блока, а в теплоприемники вмонтированы термочувствительные измерительные преобразователи, подключенные к блоку управления измерениями, сбора и преобразования измерительной информации.

12. Устройство по п.6, отличающееся тем, что датчик сопротивления горизонтальной пенетрации имеет металлический чувствительный элемент с симметрично выступающими за стенки измерительного блока приемниками давления, который установлен в корпусе измерительного блока с возможностью продольного смещения под действием давления почвы на приемники давления при движении устройства в пахотном слое почвы, и преобразователь силы в электрический сигнал, состоящий из нагрузочной Z-образной балки и тензочувствительного элемента, при этом чувствительный элемент датчика пенетрации соединен с нагрузочной Z-образной балкой тягой, обеспечивающей растяжение балки под действием давления почвы на приемники давления, зазор чувствительного элемента с боковыми стенками измерительного блока заполнен эластичным герметиком, а входные и выходные цепи тензочувствительного элемента соединены с блоком управления измерениями, сбора и преобразования измерительной информации.

13. Устройство по п.12, отличающееся тем, что приемники давления почвы чувствительного элемента датчика сопротивления горизонтальной пенетрации выполнены в форме трехгранных прямых призм с поперечными к направлению движения ребрами и с воспринимающими давление почвы гранями, расположенными под тупым углом к направлению движения устройства.

14. Устройство по п.12, отличающееся тем, что датчик сопротивления горизонтальной пенетрации совмещен с датчиком измерения электрофизических характеристик почвы, уплотненной при движении датчиком сопротивления горизонтальной пенетрации, и имеет приемники давления чувствительного элемента датчика сопротивления горизонтальной пенетрации, выполненные в форме четырехгранных прямых призм с поперечными к направлению движения ребрами и с трапецеидальным сечением в горизонтальной плоскости, при этом грани призм, воспринимающие давление почвы, расположены под тупым углом к направлению движения устройства, а в грани, параллельные боковым стенкам измерительного блока, через изоляторы заподлицо врезаны потенциальные электроды датчика измерения электрофизических характеристик почвы, уплотненной при движении датчиком сопротивления горизонтальной пенетрации, при этом потенциальные электроды этого датчика и корпус измерительного блока подключены к измерительному преобразователю электрофизических характеристик почвы, уплотненной при движении датчиком сопротивления горизонтальной пенетрации, а выход этого преобразователя соединен с блоком управления измерениями, сбора и преобразования измерительной информации.

15. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено датчиком скорости движения и пройденного пути, выполненным в виде цилиндрического мерного колеса из немагнитного материала, установленного на подпружиненной вилке в задней части опорной лыжи с обеспечением контакта с поверхностью почвы, позади колеса на вилке расположен нож-скребок для очистки колеса от налипающей почвы, с внутренней стороны обода колеса вдоль образующей цилиндра вставлен стержневой постоянный магнит, намагниченный вдоль оси стержня, а в поле действия магнита на лыже установлен геркон, подключенный к блоку управления измерениями, сбора и преобразования измерительной информации.

16. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено датчиком скорости движения и пройденного пути, выполненным в виде мерного колеса диаметром 40-70 см, установленного на шарнирной вилке в задней части несущей рамы в продольной плоскости устройства, на колесе между осью и ободом размещен по крайней мере один постоянный магнит, а на вилке закреплен геркон, взаимодействующий с магнитом при вращении колеса и подключенный к блоку управления измерениями, сбора и преобразования измерительной информации.

17. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено соединенными с несущей рамой опорными стойками, выполненными с возможностью установки их в вертикальное положение при отсоединении устройства от средства передвижения и хранении, и имеющими длину, обеспечивающую вертикальное положение устройства без касания ножом-щелерезом и измерительным блоком опорной поверхности для их защиты от поломок и упрощения сочленения устройства со средством передвижения с помощью жесткой сцепки, при этом стойки выполнены с возможностью переустановки их и фиксации в горизонтальном положении после сцепки устройства со средством передвижения для проведения измерений в движении.