Датчик-эвапориметр Советский патент 1993 года по МПК G05D9/00 A01G25/00 A01G25/16 

х| 00

ч

N3 00 W

W

Изобретение относится к сельскохозяйственной метеорологии и может быть применено в орошаемом земледелии для автоматизации полива сельскохозяйственных культур. Сущность изобретения: датчик-эва- пориметр содержит емкость 1 для воды, сливную щель 2, пассивные опоры 3, активную опору 4 с весоизмерительным устройством 5, соединенным с нелинейным блоком .6, а также вычислительный блок 7, блок 8 памяти, за датчик 9 измерения и осадкомер 10. Вычислительный блок 7 выполнен в виде последовательно соединенных блока регистрации и индикации и фильтра, состоящего из четырех сумматоров, трех перемножитё- лей и делителя. В датчике-эвапориметре для повышения точности при оценке величины испарения с водной поверхности учитывается зависимость дисперсии ошибки измерения от уровня воды в емкости 1, а также происходит фильтрация этой ошибки. 3 ил. ел с

Фиг.1

Изобретение относится к сельскохозяйственной метеорологии и может быть использованопри создании автоматизированных систем орошения.

Известен датчик-звапориметр, содержащий емкость для воды, контактные датчики уровня, электронный блок управления и две сообшТающиеся между собой и емко- стью гермет1зчные камеры.

Недостатком этого устройства является низкаУ надежность вследствие большого количества подвижных механических деталей. Кроме того, подобные устройства, применяемые для управления поливом, представляют собой весьма грубые модели процессов влагообмена в среде почва-растение-атмосфера, отличаются большими погрешностями в работе и низкой адекватностью реальным процессам на орошаемом участке.; : .

Известен датчик-эвапориметр, входящий в систему автоматизированного управления поливом, -

Недостатком является его низкая точность, зависящая к тому же от уровня воды в емкости, например, точность весоизмерительного устройства с преобразоёатёлем в уровень воды составляет до ±1 мм, что при измерений суточных испарений (1-1.0 мм) дает погрешность от 10 до 100%.

Цель изобретения - повышение точности датчика.:,

Цель достигается тем, что датчик дополнительно снабжен нелинейным блоком, запоминающим устройством и задатчиком измерения, а электронный блок измерения выполнен в виде вычислительного блока, причём выход весоизмерительного устрой-. стеа соединен с входом нелинейного блока и первым входом вычислительного блока, второй и третий входы которого связаны соответственно с выходами нелинейного блока и блоком памяти, вход которого соединен с выходом вычислительного блока, управляющий вход которого подключен к выходу задатчика измерения, а вычислительный блок выполнен в виде последовательно соединенных блоков регистрации и индикации и фильтра, состоящего из четырех сумматоров, трех перемножителей и одного делителя, причем первый вход первого сумматора связан с выходом весоизмерительного устройства, второй его, вход - с выходом блока регистрации и индикации, с которым также связан первый вход второго сумматора, выход которого соединен с входом блока регистрации и индикации, а второй вход - с выходом первого перемножителя, первый вход которого связан с выходом первого сумматора, а второй

вход - с входом четвертого сумматора и выходом второго перемножителя, первый вход которого подключен к выходу делителя, а вход делителя соединен с выходом

третьего сумматора, первый вход которого связан с выходом нелинейного блока, а второй с выходом блока памяти, с которым также соединены вторые входы второго и третьего перемножителя, первый вход кото0 рого связан с выходом четвертого сумматора, а выход соединен с входом блока памяти, при этом управляющие входы всех блоков фильтра подключены к выходу задатчика измерения.

5 Эти отличительные признаки существенны в силу следующих обстоятельств:

При оценке величины испарения с водной поверхности учитывается зависимость дисперсии ошибки измерения от уровня во0 ды в баке, которая записывается в нелинейном блоке. Ив прототипе и в известных аналогах такой учет не производится.

. Для фильтрации ошибки измерения испарения используется фильтр, представля5 ющий собой набор операционных блоков, работа которых управляется от управляющих сигналов задатчика измерения.

В запоминающем устройстве записыва- ется текущая величина дисперсии ошибки 0 оценки величины испарения после каждого шага измерений. Неизвестны технические решения поставленной задачи, использующие рассмотренную совокупность признаков, которые приводят к повышению 5 точности измерения испарения. Таким образом, предлагаемое устройство соответствует критерию существенных отличий.

На фиг. 1 изображена схема датчикаэвапориметра; на фиг. 2 - схема вычисли0.тельного блока; на фиг. 3 приведена

зависимость ошибки измерения от уровня (объема воды в баке),

. . Датчик-эвапориметр содержит емкость , 1 для воды, сливную щель 2, пассивные опо5 ры 3, активную опору 4 с весоизмерительным устройством 5, соединенным с нелинейным блоком 6 и вычислительным блоком 7, блок памяти 8, связанный с вычислительным блоком 7, и задатчик 9 измере0 ния, соединенный с вычислительным блоком 7 и осадкомером 10. Задатчик 9 измерения выполнен в виде набора электронных ключей и обеспечивает также возможность подключения внешнего сигна5 ла, инициирующего измерение.

Вычислительный блок 7 выполнен в виде последовательно соединенных фильтра 11 и блока 12 регистрации и индикации.

Фильтр 11 состоит из сумматора 13, перемножителя 14, сумматоров 15 и 16, делигде./Е1+1 - сигнал на выходе весоизмерительного устройства при (i+ 1)-м измерении,

.1.4

К - коэффициент передачи фильтра.

/1+1

lUol,

1+1 V1K P E(P E+REm)

Р Е - дисперсия ошибки оценки испарения при 1-м измерении..

.При (+1)-м измерении, также в фильтре, 11, величина PEW определяется как PE +I (1-KI+1) rP1, которая затем использу- ется для определения коэффициента передачи фильтра в следующем цикле измерения./

Работа фильтра 11 происходит следующим образом. При (1+1)-м измерении на первый вход первого сумматора 13 поступает сигнал, пропорциональный VEHI с весоизмерительного устройства 5. а на

второй:- VE - с блока 12 регистрации и индикации. В результате на выходе блока 13 получают сигнал, пропорциональный (VE +IVE ). который поступает на первый вход пер- еогр еремножителя 14. Сигналы. прЬпбрй Йональныё РЕМ и Р Е. поступают соответственно на первый и второй входы третьего сумматора 16 с блоков 6 и 8, после чего результат суммирования (Р Е + поступают на вход делителя 17, выход- ной сигнал которого, пропорциональный (Р$Е + ) 1. принимается на первый вход второго перемножителя 18, а на. второй его ВХОД-РЕ с блока 8. Результатом перемножения в блоке 18 является коэффициент пере- дачи Км, который поступает на второй вход блока 14, с входа которого сигнал, пропор .. . 1- циональный ). передается на второй вход второго сумматора 15. на перг

вый вход которого поступает сигнал VE с блока 12. В результате на выходе блока 15

получают оптимальную оценку Vt +1, которая передается в блок 12 регистрации и индикации.

Величина РЕМ определяется в блоках 19,20. Так. на вход четвертого сумматора 19 принимается величина К выхода блока 18, а с выхода блока 19 величина (1-К1+1) посту- пает на первый вход третьего перемножителя 20, на второй вход которого принимается величина Р Е с блока 8 и после перемножения на выходе блока 20 получают величину РЕ . которая передается и записывается в блоке памяти 8 взамен величины Р Е. Величина PE +I затем используется в следующем

цикле измерения для .определения величины испарения с наименьшей дисперсией.

Оптимальность такого подхода подтверждается соответствующими работами в области оптимизации.

Датчик-эвапориметр может применяться как автономный прибор или как датчик в автоматизированных системах управления поливом.

Формула изобретения

теля 17. перемножителя 18, сумматора 19, перемножителя 20.

Первый вход первого сумматора 13 соединён с выходом весоизмерительного устройства 5, второй его вход - с выходом блока 12 регистрации и индикации, с которым также связан первый вход второго сумматора 15, а его выход связан с входом блока 12 регистрации и индикации. Второй бход второго сумматора 15 подключен к выходу первого перемножителя 14, первый вход которого соединён с выходом первого сумматора 13, а второй вход - с выходом четвёртого сумматора 19 и выходом второго перемножителя 18, первый вход которого подключен к выходу делителя 17, чей вход соединен с выходом третьего сумматора 16. Первый вход третьего сумматора 16 связан с выходом нелинейного блока 6, а второй вход- с выходом блока памяти 8, с которым также соединены вторые входы второго перемножителя 18 и третьего перемножителя 20, первый вход которого связан с входом четвертого сумматора 19, а его выход соединен с входом блока памяти 8. .

На фиг. 1 показана связь датчика-эвапо- риметра с осадкомером 10. , -;--

Датчик работает следующим образом. В исходном состояний ёмкость заполняется водой до установленного уровня У°р,, чтобы его зафиксировать надежно в емкости 1 на этом уровне имеется сливная щель 2. При этом вес емкости с водой F распределяется равномерно на две пассивные опоры 3 и активную опору 4

Рз F4:

Ј 3

Усилие воспринимается весоизмерительным устройством 5, аналогичный сигнал которого, пропорциональный уровню воды в баке У°Е, поступает на первый вход вычислительного блока 7 и вход нелинейного блока 6. В нелинейном блоке 6 реализуется зависимость RE Т(УЕ}- кривая на фиг. 3, где RE - дисперсия ошибки измерения МЬМареййя, учитывающая как неточность собственно измерения, так и неточность физической модели испарения; VE - уровень воды в баке, R EV E - соответственно то же при 1-м измерении.

Таким образом, на второй вход вычислительного блока 7 поступает сигнал, пропорциональный величине R E. а на третий вход-сигнал, пропорциональный величине дисперсии ошибки оценки испарения РЁ, от блока памяти 8, причем, до начала измерений в Нем записывается величина дисперсии Р°Е, соответствующая начальному

уровню У Е, а затем после каждого цикла измерений эта величина заменяется на величину Р Е, которая поступает от вычислительного блока 7. На управляющий вход

5 вычислительного блока 7 сигнал поступает от задатчика 9 измерения, запуск которого осуществляется оператором или от внешне го инициирующего сигнала.

Задатчик 9 измерения, выполненный в

10 виде набора электронных ключей с фиксированными временными задержками, управляет работой блоков 12-20 и обеспечивает своевременную коммутацию цепей блоков 12-20 при выполнении в

15 них соответствующих каждому блоку опе раЦИЙ.: :-:-.:. :. - :-..В случае выпадения атмосферных осадков для предотвращения появления ошибки сигнал осадкомера 10 в их начале иницииру0 ет очередное измерение испарения, и в результате в блоке 12 фиксируется величина уровня воды в емкости 1 на момент начала

;; осадков. ; :;;; ; : .ч;. . :.:.; . ;-.-..;-, ; . V. ;;i..

После Окончания осадков происходит

5 очередное инициирование измерения испарения с водной поверхности, но при этом сигнал о величине выпавших осадков поступает на вычислительный блок 7 для коррекции величины испарения.:

0 Вычислительный блок 7 обеспечивает фильтрацию ошибки измерения в фильтре 11 и Определение, регистрацию и индика- ; цию величины испарения в блоке 12 регистрации и индикаций как

5,.-. ;-:.; .:.;-Х.;:: :-,;:,::; ..

, 1, .1 i+v :-.-

. ;. Е yk-,v Ј.--- , . : : 1. 1 i-f 1 -. ;.; - .- -. .- .Q где V Е, V Е -оптимальные (в среднеквадратичном смысле) оценки величин уровней воды, после фильтрации, при 1-м и (1+1)-м измерениях.

В случае выпадения осадков, если

:-;V. |+i .-../. :-, :- --- . ./. . ,

VE . - VE . т.е. если выпавшие осадки

заполнили емкость 1 до сливного отверстия

в блоке 12, фиксируется это значение, если ; i i + i ..- .;: . - i -.:.. .

же VE VE , то величина Е определя- 01 1 i t-i-1

ется в блоке 12 как Е V Е - V Е + Рг.

где Рг -величина выпавших осадков за

интервал между измерениями.

В фильтре 11 осуществляется опредеяе5 : :-.-, ..- -1.,+, : . .-

ние величины VE как

1

1

1

УЕ|+1 -УЕ(КиО/Е|И-УЕ ) .

Ч

I

a r