Повышение урожайности сельскохозяйственных культур на основе радиоэлектронных устройств для измерения влажности грунта

О.В. Березюк

Винницкий национальный технический университет

Содержание влаги в грунте не остается постоянным. Оно изменяется во времени и в пространстве в зависимости от метеорологических условий, типа грунта, рельефа, вида и возраста растений, существенно влияя на урожайность сельскохозяйственных культур, которая имеет большое значение для АПК.

Основным методом определения влажности грунта является термостатно-весовой, принятый как эталон для оценки других методов. Наибольшее распространение имеет метод высушивания, заключающийся в определении веса образца испытанного материала до, и в процессе его сушения, и осуществляющийся, как правило, при температуре 105 °С. Однако для метода высушивания необходимый отбор проб из исследуемой конструкции, связанный с нежелательным частичным ее разрушением и невозможностью повторения измерений в том же месте. В органических материалах вместе с уменьшением гигроскопической влаги происходит потеря летучих веществ, а также окисление и связанное с этим поглощение кислорода воздуха. Результаты определения влажности зависят от продолжительности сушения, от температуры и давления, при которых велось сушение, от выноса пыли и мелких частиц образца.

Это позволяет изъять из грунта всю влагу. На основе разности масс проб до и после высушивания рассчитывают влажность грунта.

Описанный метод определения влажности грунта требует много времени и усилий, и уже является устаревшим. Разрабатываются разнообразные косвенные методы. Их разделяют на три основные группы:

- омический метод, который основан на измерении электрического сопротивления грунта;

- тензометрический метод измерения капиллярного натяжения грунтовой влаги;

- нейтронный метод измерения степени ослабления интенсивности гамма лучей.

Разработан также метод дистанционного определения запасов продуктивной влаги в пахотном пласте грунта радиометрическим влагомером. Принцип работы прибора основан на измерении радиотеплового излучения грунта, зависящего от влажности грунта.

Радиометрические методы основаны на определении ослабления гамма-излучения при прохождении через объект измерения в зависимости от влажности или на определении замедления быстрых нейтронов атомами водорода, размещающихся во влажном материале.

Сущность метода ядерного магнитного резонанса состоит в том, что при строго определенной частоте переменного магнитного поля, в котором размещен исследуемый образец, возникает ядерный магнитный (протонный) резонанс, характеризующийся появлением дополнительных потерь в цепи питания катушек, создающих магнитное поле. Величина потерь прямо пропорциональная числу ядер водорода (протонов), находящихся в объеме исследуемого материала, другими словами, величина потерь пропорциональна влагосодержанию и не зависит от химического состава и структуры материала. Метод ядерного магнитного резонанса используется в лабораторных условиях [1].

Известные датчики, в которых электроды размещают не в непосредственно исследуемый материал, а в некоторую промежуточную среду, имеющую более стабильную зависимость сопротивления от влажности. Для измерения сопротивления, как правило, используется схема прибора или мостовая схема. По методу электропроводности определяется концентрация электролитов, зависящая как от влажности, так и от состава солей в материале. Учитывая изменчивость солевого состава, метод электропроводности имеет значительные погрешности [2].

Датчики влажности, основанные на измерении сопротивления между контактами-щупами, помещается в контролируемую среду (например, в грунт). В предлагаемой схеме управления нагрузкой осуществляется с помощью генератора частоты звукового диапазона, катушка которого зарывается в грунт. Прибор реагирует на распространение звуковых волн во влажной и сухой среде.

Влажный грунт делает работу генератора невозможной - происходит уменьшение амплитуды и прекращение колебаний. По величине поглощения энергии в катушке определяется степень влажности грунта. Индуктивный контроль состояния грунта в сравнении с емкостным методом и методом измерения электрического сопротивления разрешает оперативно реагировать на смену влажности вокруг катушки. Сопротивление грунта постоянному току между двумя щупами-датчиками изменяется постепенно.

Оптимальная глубина погружения катушки составляет 45-55 см.

Наряду с измерением влажности грунта такие датчики могут использоваться также для измерения влажности твердых бытовых отходов, которая существенно влияет на выбор пути дальнейшего обращения с ними [3_5]. На рис. 1 показана электрическая схема датчика влажности грунта.

Рис. 1. Электрическая схема датчика влажности грунта

урожайность радиоэлектронный влажность грунт

Датчик питается от источника напряжения 5...12 В и имеет один дискретный выход. Выход содержит высокий потенциал «1», если влажность грунта упала ниже заданной и низкий потенциал «0», если влажность грунта выше заданной. Датчик имеет некоторую инерцию и свойство гистерезиса для исключения случайных переключений в момент, если влажность грунта очень близкая к заданной.

Для индикации состояния датчик использует сдвоенный красно-зеленый светодиод, изменяющий цвет свечения. Зеленый - влажность выше заданной. Красный - влажность ниже заданной. В процессе просыхания грунта цвет светодиода будет плавно изменяется с зеленого на желтый и при достижении заданного порога состоится переключение на красный.

В качестве сенсора используется два электрода, углубленных в грунт на глубину измерения. Принцип работы схемы следующий. На элементе U1A собранный генератор прямоугольных импульсов с частотой 1 КГц. Через настройку резистора R2 импульсы поступают на вход U1B, причем амплитуда импульсов будет зависеть от влажности грунта, которая будет шунтировать сигнал через конденсатор C2. Кроме того, поступающие импульсы, будут иметь уже не прямоугольную, а быстрее пилообразную форму через сглаживание конденсатором С2. В результате на выходе U1C образуются прямоугольные импульсы со скважностью, зависящей от влажности грунта. Эти импульсы превращаются в постоянное напряжение (D1, C3), поступающее на вход U1D. При этом конденсатор C3 определяет инерционность схемы и обеспечивает защиту от препятствий, а благодаря гистерезисным свойствам входов U1, обеспечивается небольшой диапазон между переключениями исходного сигнала. Транзистор Q3 инвертируется с согласительным звеном исполнительной схемы.

Правильно собранный датчик не требует настроек. Регулирование уровня порогового значения влажности проводится при подключенных контактах сенсора, погруженных в политый грунт с необходимой влажностью. Настроечный резистор R2 следует установить в положение, если горит зеленая часть светодиода, а красная часть начинает слегка светиться.

Конструктивно датчик выполнен на односторонней печатной плате размером 32 Ч 36 мм и может управлять системой автоматического полива растений при достижении критически низкого значения влажности грунта.

Таким образом, радиоэлектронные устройства для измерения влажности грунта разрешают повысить урожайность сельскохозяйственных культур, уменьшить затраты на их полив, снижая в целом себестоимость сельскохозяйственной продукции растительного происхождения.

Список использованной литературы

1. Берлинер М. А. Электрические методы и приборы для измерения и регулирования влажности / М. А. Берлинер. - М.-Л.: Госэнергоиздат, 1990. - 237 с.

2. Лапшин А. А. Электрические влагомеры / А. А. Лапшин. - М.-Л.: Госэнергоиздат, 1990. - 114 с.

3. Березюк О. В. Шляхи підвищення ефективності пресування твердих побутових відходів у сміттєвозах / О. В. Березюк // Сучасні технології, матеріали і конструкції у будівництві: науково-технічний збірник. - Вінниця: УНІВЕРСУМ-Вінниця, 2009. -№ 1. - С. 111-114.

4. Березюк О. В. Розробка математичної моделі прогнозування питомого потенціалу звалищного газу / О. В. Березюк // Вісник Вінницького політехнічного інституту. - 2013. - № 2. - С. 39-42.

5. Березюк О. В. Привод зневоднення та ущільнення твердих побутових відходів у сміттєвозі / О. В. Березюк // Вісник машинобудування та транспорту. - 2016. - № 2. - С. 14-18.

Размещено на Allbest.ru