СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ПИТАТЕЛЬНЫХ ВЕЩЕСТВ В ПОЧВЕ Российский патент 2017 года по МПК G01N33/24 A01C21/00 A01B49/06 

Изобретение относится к автоматизированным оптико-электронным системам управления процессом, в частности к процессам определения содержания питательных веществ в почве, и может быть использовано в сельском хозяйстве.

Известен способ [1] авиационной химической обработки растений, заключающийся в том, что перед распылением химикатов измеряют яркость растительного покрова, подлежащего обработке, и расход химикатов при распылении регулируют пропорционально спектральной яркости растительного покрова, подлежащего обработке.

Недостаток известного способа заключается в том, что при отсутствии растительного покрова этот способ применить не представляется возможным. Кроме того, сенсор спектральной яркости растительного покрова не реагирует на цветовые оттенки спектра, ограничивая функциональные возможности способа, сводя его к распылению химикатов только при подкормке возделываемых культур.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ [2] внесения удобрений путем распределения их удобрителем с распылителями, управляемыми сенсорами регулирования расхода удобрений, в качестве которых используется цветная видеокамера с углом зрения, разбитым на секторы обзора, каждый из которых охватывает ширину захвата одного распылителя. Дозы удобрений перед внесением регулируются на каждом распылителе пропорционально цветным оттенкам спектра, отражаемым поверхностью участков почвы в секторах обзора.

Недостаток известного способа заключается в сезонности использования при определении видов и доз вносимых удобрений, т.к. при отсутствии растительности этот способ применить невозможно. Кроме того, при изменении освещенности в течение времени суток возникает погрешность при определении цветных оттенков спектра, что приводит к погрешности при определении видов и доз при расходовании химикатов.

Задачей настоящего изобретения является автоматизация процесса определения содержания питательных веществ в почве.

Для решения поставленной задачи в предлагаемом способе определение основных элементов, влияющих на плодородие почвы, осуществляется по спектру пламени при сгорании проб почвы в газовой горелке, а концентрация питательных элементов определяется с помощью компьютерной программы по интенсивности цветовых оттенков спектра, фиксируемых в пламени сгораемых образцов почвы. С видеокамеры видеосигнал поступает на бортовой компьютер, где с помощью программного обеспечения отделяются частоты спектра, определяющие наличие основных питательных веществ в почве: калий - фиолетовый, магний - яркий белый спектр, фосфор - оттенки зеленого цвета, и при анализе видеосигнала задаются нужные цветные оттенки спектра. При появлении в полосе сканирования видеосигнала, соответствующего установленному программой диапазону спектра, осуществляется количественная оценка цветных оттенков спектра, после чего данные о концентрации элементов с привязкой координат по GPS-устройству записываются в базу данных и программой составляется карта плодородия поля, которая затем может использоваться для расчета доз удобрений при их последующем внесении.

Устройство (фиг. 2а) для реализации предлагаемого способа содержит установленные в передней части трактора подвижную раму 5 и неподвижную раму 6, соединенные осью 7. На подвижной раме жестко закреплена ось 8, почворез 10 и правый 24 и левый 25 отражающие экраны-уплотнители. На оси 8 крепится устройство для забора почвы 9. Передвижение подвижной рамы 5 относительно неподвижной рамы 6 осуществляется гидроцилиндром 11.

Механизм для забора почвы состоит из двух основных частей, подвижной (А) и неподвижной (Б). Подвижная часть (фиг. 2а А-А) включает режущий диск 9, жестко закрепленный на валу 8 гидромотора 22. К режущему диску 9 жестко прикреплен барабан с отверстиями 13 и режущие лопатки 14. Неподвижная часть (фиг. 2а Б-Б) включает металлический барабан 12, расположенный соосно режущему диску 9, внутри которого закреплен рабочий цилиндр 15 с отверстиями, расположенными в его верхней и нижней частях и направляющий цилиндр 18. В верхней части рабочей камеры между рабочим цилиндром 15 и направляющим цилиндром 18 устанавливается горелка 16, напротив которой в боковой стене барабана 12 расположено отверстие, защищенное жаропрочным стеклом, за которым снаружи закреплена закрытая снаружи защитным кожухом цветная видеокамера 17. Горизонтальное перемещение подвижной части производится посредством гидроцилиндра 23, упорного диска 19 и направляющего цилиндра 18. Закрепленный (фиг. 2б) на передней части подвижной рамы 5 почворез 10 состоит из режущего клина 20 и клиновых крыльев 21. Ширина рабочей зоны почвореза должна быть не меньше ширины устройства для забора почвы в открытом состоянии.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

Наличие и концентрация основных питательных элементов продукционного слоя почвы определяется пропорционально цветным оттенкам спектра, получаемого при сжигании проб почвы с участков. Дозы и виды удобрений перед последующим внесением определяются в соответствии с составленной на основании результатов анализа проб грунта с координатной привязкой карты плодородия.

Предлагаемое устройство поясняется чертежами.

На фиг. 1 показан транспортируемый трактором сканирующий орган и удобритель.

На фиг. 2 (а, б, в) показана схема исполнительного механизма забора грунта, в том числе:

2а - конструкция сканирующего устройства;

2б - транспортное положение сканирующего устройства на тракторе;

2в - рабочее положение сканирующего устройства на тракторе.

Предлагаемое устройство определения содержания питательных веществ в почве работает следующим образом.

Трактор 1 (фиг. 1) с установленным на нем устройством для забора и анализа почвы 2, GPS-устройством 3 и удобрителем 4 перемещается по полю с разной степенью эродированности и истощенности почвы. При движении агрегата по полю гидроцилиндр 11 удерживает установленное оборудование на подвижной раме 5 в транспортном положении, а гидроцилиндр 23 - в раздельном положении подвижную А и неподвижную Б части механизма для забора почвы. Забор порции почвы с целью проведения спектрального анализа осуществляется следующим образом: посредством гидроцилиндра 11 через ось 6 подвижная рама 5 опускается и заглубляет почворез 10 на глубину продукционного слоя почвы (не менее 15 см), одновременно заглубляется на указанную глубину механизм для забора почвы. Экранами-уплотнителями 24 и 25 осуществляется уплотнение взрыхленной почворезом почвы. Правый экран-уплотнитель 24 служит также для защиты от деформации, оказываемой под давлением почвы при движении на неподвижную часть механизма забора почвы. Посредством гидромотора 22 задается вращение режущего диска 9 по часовой стрелке и с помощью режущих лопаток почва занимает межлопастное пространство. Одновременно гидроцилиндром 23 невращающаяся часть заборного механизма прижимается к вращающейся части, тем самым образуя закрытую зону и провоцируя ссыпание порций почвы. В процессе движения агрегата гидроцилиндром 11 подвижная рама 5 выходит из почвы и занимает первоначальное положение. В момент совмещения отверстий на барабане 13 с отверстиями в рабочем цилиндре 15 загорается горелка 16, расположенная в зоне ссыпания порции почвы. В процессе ссыпания порции почвы происходит ее сгорание в пламени горелки. При сгорании почвы образуются цветовые спектры, характеризующие наличие в почве питательных элементов (в первую очередь, азота, фосфора и калия),которые посредством цветной видеокамеры 17 передаются на бортовой компьютер трактора, с помощью которого происходит обработка полученных данных.

Координаты устройства на поле привязываются с помощью спутниковой системы связи Global Positionning Sistem ("В будущее с системой "Global Positioning Sistem (GPS). Проспект фирмы "Massey Fergusson") к создаваемой карте плодородия поля.

Для каждой текущей координаты расположения устройства на поле при последующем внесении удобрений из заранее составленного банка данных выдаются сведения о высокой или низкой концентрации питательных веществ в почве удобряемого поля. Эти данные поступают в компьютер и используются для регулирования доз вносимых удобрений, величина которых или увеличивается в зависимости от эродированности, или уменьшается при засоренности поверхности почвы, оцениваемой цветовыми оттенками спектра (Кореньков Д.А. Минеральные удобрения при интенсивных технологиях. Росагропромиздат, М., 1990, стр. 133-137). Цветовой оттенок спектра, получаемый при сжигании загружаемых образцов почвы, поступает в приемник, сенсором которого служит цветная видеокамера 17 (фиг. 2а). С видеокамеры видеосигнал поступает на бортовой компьютер, где с помощью программного обеспечения отделяются частоты спектра, определяющие наличие основных питающих веществ в почве: калий - фиолетовый, магний - яркий белый спектр, фосфор - оттенки зеленого цвета, и при анализе видеосигнала задаются нужные цветные оттенки спектра. При появлении в полосе сканирования видеосигнала, соответствующего установленному программой диапазону спектра, осуществляется количественная оценка цветных оттенков спектра, после чего данные с привязкой координат по GPS-устройству записываются в базу данных и программой составляется карта плодородия поля, которая затем может использоваться для расчета доз удобрений при их последующем внесении.

Предлагаемый способ и устройство определения содержания питательных веществ в почве не влияют отрицательно на окружающую среду, т.к. удобрения по полученной карте плодородия вносятся в дозах, которые полностью расходуются на восстановление утраченного плодородия и, в конечном счете, получение максимальной прибавки урожая возделываемых сельскохозяйственных культур. Применяемый способ и устройство позволяют экономить до 30% удобрений.

Источники информации

1. Патент Российской Федерации №1017218, А 01 7/00 от 15.05.83 г.

2. Патент Российской Федерации №2171574, А 01 7/00 от 10.08.01 г.

Группа изобретений относится к области сельского хозяйства, в частности к автоматизированным оптико-электронным системам определения содержания питательных веществ в почве. В способе содержание и концентрации основных питательных элементов в почве (азота, фосфора и калия) определяют пропорционально цветовым оттенкам спектра, фиксируемым цветной видеокамерой при сгорании в пламени образцов почвы, отобранных в процессе движения трактора с устройством по полю, с последующей обработкой сигнала видеокамеры на бортовом компьютере. Устройство содержит установленные в передней части трактора подвижную и неподвижную рамы, соединенные осью. На подвижной раме жестко закреплены почворез, отражающие экраны-уплотнители, и ось, на которой крепится устройство для забора почвы с рабочим и направляющим цилиндрами. Передвижение подвижной рамы относительно неподвижной рамы осуществляется гидроцилиндром. В верхней части рабочей камеры, где расположено устройство для забора почвы, между рабочим и направляющим цилиндрами устанавливают газовую горелку, напротив которой в боковой стене барабана устройства для забора почвы расположено отверстие, защищенное жаропрочным стеклом, за которым снаружи закреплена закрытая защитным кожухом цветная видеокамера. Изобретения обеспечивают автоматизацию процесса определения содержания питательных веществ в почве. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ определения содержания питательных веществ в почве, отличающийся тем, что содержание и концентрации основных питательных элементов в почве (азота, фосфора и калия) определяются пропорционально цветовым оттенкам спектра, фиксируемым цветной видеокамерой при сгорании в пламени образцов почвы, отобранных в процессе движения трактора с устройством по полю, с последующей обработкой сигнала видеокамеры на бортовом компьютере.

2. Устройство для определения содержания питательных веществ в почве, содержащее установленные в передней части трактора подвижную раму и неподвижную раму, соединенные осью, на подвижной раме жестко закреплены почворез, отражающие экраны-уплотнители и ось, на которой крепится устройство для забора почвы с рабочим и направляющим цилиндрами, передвижение подвижной рамы относительно неподвижной рамы осуществляется гидроцилиндром, в верхней части рабочей камеры, где расположено устройство для забора почвы, между рабочим и направляющим цилиндрами устанавливают газовую горелку, напротив которой в боковой стене барабана устройства для забора почвы расположено отверстие, защищенное жаропрочным стеклом, за которым снаружи закреплена закрытая защитным кожухом цветная видеокамера.