Устройство для автоматического контроля влажности грунта Советский патент 1989 года по МПК A01G25/16 G01N27/22 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к электронным влагомерам грунта, и может быть использовано в сельском хозяйстве для измерения влажности грунта при электрофизической обработке почвы в полевых условиях.

Цель изобретения - повышение точности непрерывного контроля влажности грунта.

На фиг. 1 представлена схема устройства для автоматического контроля влажности грунтаj на фиг. 2 - преобразователи влажности почвы и установка их на лапе культиватора сельскохозяйственной машины на фиг. 3 - разрез А-А на фиг. 2J на фиг. 4 - то же, вид сверху; наг фиг. 5 - временная диаграмма работы блоков устройства.

Устройство содержат основной 1 (емкостью С.) и опорный 2 (емкостью

U2 ности

) емкостные преобразователи влаж, включенные в контуры соответствующих генераторов 3 и 4, при этом емкостные преобразователи выполнены по дифференциальной схеме. Выходы генераторов 3 и 4 соединены с входами квадраторов 5 и 6 частоты. Выход квадратора 5 частоты соединен с С-входом D-триггера 7 и первым входом первого элемента И 8. Выход квадратора 6 частоты соединен с D-входом D-триггера 7, прямой выход которого соединен с первым входом второго элемента И 9. Выход первого элемента И 8 соединен с С-входом двоичного счетчика 10, информационные выходы которого соединены с D-входами преобразователя 11 код - частота. Выход второго элемента И 9 соединен с суммирующим входом реверсивного счетчи- ,ка 12, вычитающий вход которого соединен с выходом преобразователя код - частота и S-входом первого RS-триггера 13. Выход реверсивного счетчика 12 соединен с входом первого преобразователя 14 и R-входом

Емкостные преобразователи размеще ны на рабочем органе сельскохозяйственной машины, например на лапе культиватора (фиг. 2). Преобразователи установлены на крепежной лапе 25 культиватора 26, на внутренней стороне которого расположен блок емкостных преобразователей 1 и 2 с генераторами 3 и 4. Блок емкостных пре образователей содержит центральный электрод 27, два идентичных боковых электрода 28 и 29, охренные электроды 30 и 31. Под одним из боковых электродов 29 находится слой диэлектрика 32 с известной диэлектрической проницаемостью Еа. От поверхности грунта электроды отделены слоем диэлектрика 33. Введенная в конструкцию емкость С 2 с введенной в нее пластиной с заранее известной диэлек трической проницаемостью Јо позволяет получить дополнительную информа цию не только об измеряемой величине влажности, но и о погрешностях, допускаемых при измерениях, и тем самым исключить эти погрешности из результата измерения. В данном случае на изменение искомой величины - диэлектрической проницаемости грунта 6Х , являющейся функцией влагосчетчика 10. Выход первого формировало содержания, оказывают влияние такие

уеля 14 соединен с входом второго формирователя 15 и R-входом триггера 13 и V-входом регистра 16 памяти. Выход второго формирователя 15 соединен с S-входом второго RS-триггера 17 и через инвертор 18 с R-входом реверсивного счетчика 12 и R-входом двоично-десятичного счетчика 19, информационные выходы которого соепараметры почвы как температура, плотность, засоленность и т.д. Введение емкости С позволяет выразить искомую диэлектрическую постоянную 55 грунта Ј х в виде относительной

разности квадратов частот, поступаю щих от рабочих генераторов 3 и 4, а так же влияние таких параметров почвы как температура, плотность и

динены с D-входом регистра 16 памяти, а С-вход - с выходом третьего элемента И 20 первый вход которого соединен с выходом генератора 21

опорной частоты, С-входом преобразователя 11 и первым входом четвертой схемы И 22. Второй вход схемы И 20 соединен с прямым выходом RS-триг0 гера 13. Прямой выход RS-триггера 17 соединен с вторым входом элемента И 22 и вторыми входами первой 8 и второй 9 схем И и R-входом преобразователя 11. Выход четвертого элемента И 22 через дополнительный двоичный счетчик 23 соединен с R-входом второго триггера 17. Выходы регистра 16 памяти соединены с блоком 24 дикации.

ин5

0

5

0

5

0

Емкостные преобразователи размещены на рабочем органе сельскохозяйственной машины, например на лапе культиватора (фиг. 2). Преобразователи установлены на крепежной лапе 25 культиватора 26, на внутренней стороне которого расположен блок емкостных преобразователей 1 и 2 с генераторами 3 и 4. Блок емкостных преобразователей содержит центральный электрод 27, два идентичных боковых электрода 28 и 29, охренные электроды 30 и 31. Под одним из боковых электродов 29 находится слой диэлектрика 32 с известной диэлектрической проницаемостью Еа. От поверхности грунта электроды отделены слоем диэлектрика 33. Введенная в конструкцию емкость С 2 с введенной в нее пластиной с заранее известной диэлектрической проницаемостью Јо позволяет получить дополнительную информацию не только об измеряемой величине влажности, но и о погрешностях, допускаемых при измерениях, и тем самым исключить эти погрешности из результата измерения. В данном случае на изменение искомой величины - диэлектрической проницаемости грунта 6Х , являющейся функцией влагоо содержания, оказывают влияние такие

параметры почвы как температура, плотность, засоленность и т.д. Введение емкости С позволяет выразить искомую диэлектрическую постоянную грунта Ј х в виде относительной

разности квадратов частот, поступающих от рабочих генераторов 3 и 4, а так же влияние таких параметров почвы как температура, плотность и

теля, изображенного на фиг. 2, можно найти по формуле:

с Јх 7 1п 4 Ъ

514

засоленность на емкости С и С2 одинаково, результирующее выражение зависит только от влажности почвы.

Охранный электрод расположен в плоскости рабочих органов. Между центральным электродом 27 и электродами 28 и 29 и 30, имеющими одинаковое напряжение, образуется электрическое поле, состоящее из двух областей, каждая из которых-связана с напряжением на электродах 28 и 29 соответственно. К измерительным боковым электродам 28 (29) ток проходит только через внешнюю зону между электродами, и поэтому изменения, происходящие во внутренней зоне между электродами 27 и 30 (31), преобразователем практически не учитываются. В случае, если в преобразователе отсутствует охранный электрод (30 и 31), внутренняя зона, в которой силовые линии идут почти вдоль поверхности преобразователя (между электродами 27 и 30, 27 и 31), является причиной сильной чувствительности преобразователя к зазору между преобразователем и измеряемым объектом (грунтом). Это связано с тем, что при отходе измеряемого объекта от поверхности электродов из него выводятся пологие силовые линии, которые максимально поляризуют почву. Охранные электроды 30 и 31, забирая на себя ток, проходящий по внутренней зоне, устраняют главную причину чувствительности преобразователя к воздушному зазору.

Устройство работает следующим образом.

При обработке почвы рабочий орган культиватора 26 (фиг. 2) разрыхляет верхний слой почвы,- при этом блок емкостных преобразователей 1 и 2 находится в механическом контакте с поверхностью грунта под внутренней плоскостью культиватора.

Приближенно емкости преобразова

еаЈ i i /

г.- In. 4 --

CQ + CX1ГЬ

- длина одного электрода; - половина расстояния между наружными краями электродов;

6

b - половина расстояния между

внутренними краями электродов;

Сх- искомая диэлектрическая проницаемость;

Јл - диэлектрическая проницаемость диэлектрика 31. Рабочая емкость Сг определяется

10 по формуле

с( -Јх

In 4 г15

Обозначают k -

ln 4 --, тогда b

С, kg,.

Если рабочая емкость С определяется как сумма двух последовательно соединенных емкостей с диэлектрической проницаемостью б и Ја ,

тогда

.

3

х Ј

Выходная частота рабочих генераторов 1 и 2 обратно пропорциональна емкости преобразователя, а следовательно, и диэлектрической проницаемости грунта

Ј4

2«Г

4Щ1

2fr LCT

(О

2/V ч

L

(2)

Г6

где L - индуктивность колебательного

контура генератора. Возводят обе части уравнений для Ј4 и в квадрат и решают их относительно Ју , получают

f2 f2 б,-Б, О)

i

Реализация зависимости (З) осуществляется при помощи элементов

5-23 структурной схемы, представленной на фиг. 1.

Выходная частота рабочих генераторов 3 и 4 поступает на вход квадраторов 5 и 6 частоты. С помощью D-тригге- ра 7 осуществляется вычитанием квадратов частот. Деление разности квадратов частот на квадрат частоты осуществляется следующим образом. В начале цикла измерение в момент времени t0 на вторые входы элементов И 8 и 9 с выхода схемы формирования

временного интервала, состоящей из RS-триггера 17, элемента И 22 и счетчика 23, поступает разрешающий потенциал .Элементы И 8 и 9 открыты на время, пропорциональное емкости счетчика 23 и частоте опорного генератора 21,

2. f10

Ъг

о

где п - емкость счетчика 23.

В двоичном счетчике 10 фиксируется количество импульсов

Ч

f . f

t ,7 r

В реверсивном счетчике 12 фиксируется количество импульсов

«,г , (

Отрицательным перепадом напряжение с б выхода триггера 17 в момент времени t, разрешается работа преобразователя 11 код - частота. Выходная частота равна

f f J вых « lo 2n

2

где п - емкость счетчика в преобразователе 11 код - частота.

Первым импульсом RS-триггер 13 устанавливается в состояние 1, и на вход двоично-десятичного счетчика 19 через элемент И 20 поступают импульсы частотой fc с генератора 21. Одновременно происходит вычитание информации с реверсивного счетчика 12, когда содержимое реверсивного счетчика равно нулю (t), через формирователь 14 RS-триггер 13 устанавливается в состояние О. Схема И 20 открыта на время

NH fiT

Л

in .

Л4 c2

Ml

fT fc

В счетчике 19 фиксируется количество импульсов

о

f -f2 Ј4 -ti

f k .

Ifl К fi

Одновременно со сбросом в состоя- ние О RS-триггера 13 информация со счетчика 19 переписывается в регистр 16 памяти, выход которого связан с блоком 24 индикации.

т

10

тнт

ка . рв15

20

25

30

35

40

45

50

я- 55 яЭтот же сигнал через формирователь 15 и инвертор 18 сбрасывает содержимое счетчика 19 в О, и устанавливается в 1 RS-триггер 17 (Ц).

Цикл измерения повторяется. Соответствие показаний индикатора численной величине влажности грунта осуществляется изменением времени Јч путем изменения емкости счетчика 23.

Из описания работы структурной схемы и временной диаграммы работы устройства очевидно, что частоту генератора 21 fu. необходимую для формирования времени измерения Ъ , можно определить следующим образом. Если принять емкость счетчиков 10 и 23 и преобразователя 11 код - частота равной, например, 12 разрядам, то частота Ј„ «акс-® этом случае код в счетчике 10 не больше 2 при fj 5:900 кГц, Ј0 1 МГц.

Описанное устройство может быть выполнено на интегральных микросхемах серии К-155, квадраторы частоты по известной схеме, преобразователь код - частота на ИС К-155ИЕ8, регистр памяти - на ИСК155ТМ8, первый двоичный счетчик - на ИСК155ИЕ5, реверсивный счетчик - на К155ИЕ7, блок индикации содержит дешифраторы К514Д1 и АЛС324, второй двоичный счетчик - на И155ИЕ5 или К155ИЕ8. Кроме того, блоки 5-23 могут быть выполнены на базе специализированного микропроцессора.

Формула изобретения

Устройство для автоматического контроля влажности грунта, включающее основной и опорные емкостные преобразователи влажности, подключенные в контуры основного и опорного генераторов, выходы которых подключены через счетно-логическую схему с син- хрогенератором к блоку индикации, отличающееся тем, что, с целью повышения точности контроля, устройство снабжено квадраторами основного и опорного генераторов, подключенным к ним D-триггером и регистром памяти на выходе счетно-логической схемы, выполненной в виде подключенных к выходам квадратора частоты основного генератора и D-триггера, двух схем И с подключенными к их выходам двоичным и ревер ч 3&LX- ч

€ж

Z9

Изобретение относится к измерительной технике в сельском хозяйстве и может быть использовано для непрерывного автоматического контроля влажности грунта при работе сельскохозяйственных машин. Цель изобретения - повышение точности контроля. Устройство содержит основной 1 и опорный 2 емкостные преобразователи, один из которых содержит пластину из диэлектрика с заранее известной диэлектрической проницаемостью ε_G, включенные в контуры рабочих генераторов 3, 4. Изменение влажности грунта влечет за собой изменение его диэлектрической проницаемости ε_X, причем ε_X=ε_G(F₂-F001)/F001. Выходные частоты F001 и F002 генераторов 3, 4 поступают на вход квадраторов частоты 5, 6. D - триггер 7 осуществляет вычитание квадратов частот. Деление разности квадратов частот на квадрат частоты осуществляется схемой преобразования квадрата частот в код, состоящей из RS - триггера 17, элементов И 8, 9, 22, двоичного счетчика 10, преобразователя код-частота 11, счетчика 23 и схемы деления, состоящей из реверсивного счетчика 12, RS - триггера 13, формирователей 14, 15, регистра памяти 16, инвертора 18, двоично-десятичного счетчика 19, элементов И 20 и опорного генератора 21. Соответствие показаний блока индикации 24 численной величине влажности грунта осуществляется изменением емкости счетчика 23. 5 ил.

Фиг4

Фиг. 5