Устройство для автоматического контроля влажности грунта

 

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<SB POS="POST">G</SB>, включенные в контуры рабочих генераторов 3, 4. Изменение влажности грунта влечет за собой изменение его диэлектрической проницаемости ε<SB POS="POST">X</SB>, причем ε<SB POS="POST">X</SB>=ε<SB POS="POST">G</SB>(F<SB POS="POST">2</SB>-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.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСКОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21 } 4243694/30-15 (22) 11.05.87 (46) 07. 06.89. Бюл. К 21 (71) Харьковский политехнический институт им. В.И. Ленина (72} В.Г. Воронов, M.В. Гунбин, Л.Д, Гуяш. А.И. Гиршфельд и А.А. Науменко (53) 620.171.33(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Н9 1059499, кл. G 01 N 27/22, 1983. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОИАТИЧЕСКОГО

КОНТРОЛЯ ВЛАЖНОСТИ ГРУНТА .(57) 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 F

ÄÄSUÄÄ 1484331 А1 (51)4 А 01 С 25/16, G 01 N 27/22

2 включенные в контуры рабочих генераторов 3,4. Изменение влажности грунта влечет за собой изменение его диэлектрической проницаемости причем Я „= с (й -й, ) /Е, . Выходные частоты f< и f генераторов 3,4 поступают на вход квадраторов частоты 5 6. В-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.

1484331

1О

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 груйта.

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

Устройство содержит основной 1 (емкостью С,) и опорный 2 (емкостью

С ) емкостные преобразователи влажй ности„ 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 счетчика 10. Выход первого формирователя 14 соединен с входом второго фбрмирователя 15 и К-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 сое20

55 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-триггера 13. Прямой выход RS-триггера

17 соединен с вторым входом элемента И 22 и вторыми входами первой 8 и второй 9 схем И и К-входом преобразователя 11. Выход четвертого элемента И 22 через дополнительный дво.ичный счетчик 23 соединен с R-входом второго триггера 17. Выходы регистра

16 памяти соединены с блоком 24 индикации.

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, охрвнные электроды 30 и 31. Под одним из боковых электродов 29 находится слой диэлектрика 32 с известной диэлектрической проницаемостью Е . От поверхности грунта электроды отделены слоем диэлектрика 33. Введенная в конструкцию емкость С с введенной в нее пластиной с заранее известной диэлектрической проницаемостью C позво3ляет получить дополнительную инфармацию 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 E, являющейся функцией влагосодержания, оказывают влияние такие параметры почвы как температура, плотность, засоленность и т.д. Введение емкости С позволяет выразить искомую диэлектрическую постоянную грунта С,„ в виде относительной разности квадратов частот, поступающих от рабочих генераторов 3 и 4, а так же влияние таких параметров почвы как темпераТура, плотность и где 1 а

Е-% «»- х 1 а

1n,4

Cif» Ь вЂ” длина одного электрода; — половина расстояния между наружными краями электродов, 5 14 засоленность на емкости С, и С 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 преобразователя, изображенного на фиг. 2, можно найти по формуле:

С =Я вЂ” 1n4

1 а

» Ь

84331

Ь вЂ” половина расстояния между внутренними краями электродов, 5 x — искомая диэлектрическая проницаемость;

f — диэлектрическая проницаемость диэлектрика 31.

Рабочая емкость С„ определяется по формуле

С =Š— 1п 4—

1 а х Ь

Обозначают k =

15 I а

1п 4 --, тогда е

С, = 1сЯ„.

Если рабочая емкость С определяется как сумма двух последовательно соединенных емкостей с диэлектрической проницаемостью f и Г тогда х

С =1 — — — ° g х

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

2л

f = =с

11.С (2) 35 где L — индуктивность колебательного контура генератора.

Возводят обе части уравнений для

f и f в квадрат и решают их относительно Я», получают

f -f

Я

3 f2 (3)

Реализация зависимости (3) осу-! ществляется при помощи элементов

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

50 Выходная частота рабочих генераторов 3 и 4 поступает на вход квадраторов 5 и 6 частоты. С помощью D-триггера 7 осуществляется вычитанием квадратов. частот. Деление разности квадра55 тов частот на квадрат частоты осуществляется следующим образом. В начале цикла измерение в момент времени на вторые входы элементов

И 8 и 9 с выхода схемы формирования

1484331

CiI= 2 fo >

В реверсивном счетчике 12 фиксируется количество импульсов

Отрицательным перепадом напряжение с 8 выхода триггера 17 в момент времени t, разрешается работа преобразователя 11 код - частота. Выходная частота равна л

f f 3

NiO 1 <

Bblx« = o2h 0 г" Зо

Первым импульсом RS-триггер 13 устанавливается в состояние "1", и 35 на вход двоична-десятичного счетчика

19 через элемент И 20 поступают импульсы частотой и с генератора 21.

Одновременно происходит вычитание информации с реверсивного счетчика

12, когда содержимое реверсивного счетчика равно нулю {С2), через формирователь 14 RS-триггер 13 устанавливается в состояние "О". Схема

И 20 открыта на время 45

n 2

На ail (fk-f i)

fii ц Е, й, Формула изобретения

В счетчике 19 фиксируется количество импульсов

2 2

Л f -fi

К = и =k о о f 2

1 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, где n — емкость счетчика 23.

В двоичном счетчике 10 фиксируется количество импульсов где n — емкость счетчика в преобразователе 1 1 код — частота.

Одновременно со сбросом в состояние "0" RS-триггера 13 информация со счетчика 19 переписывается в регистр 16 памяти, выход которого связан с блоком 24 индикации.

Этот же сигнал через формирователь 15 и инвертор 18 сбрасывает содержимое счетчика 19 в "0", и устанавливается в "1" RS-триггер 17 (t$) °

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

Из описания работы структурной схемы и временной диаграммы работы устройства очевидно. что частоту генератора 21 f>. необходимую для формирования времени измерения ñi> можно определить следующим образом.

Если принять емкость счетчиков 10 и 23 и преобразователя 1 1 код — частота равной, например, 12 разрядам, то частота fo И,,ч „ .В этом случае код в счетчике 10 не больше 2 при f 900 кГц. fo = 1 МГц.

О 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.

Устройство для автоматического контроля влажности грунта, включающее основной и опорные емкостные прав образователи влажности, подключенные в контуры основного и опорного генераторов, выходы которых подключены через счетно-логическую схему с синхрогенератором к блоку индикации, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности контроля, устройства 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 ревер31 1О через инвертор, обнуляющий вход преобразователя код — частота и вторые входы первбй и второй схем И подклю" чены к выходу второго RS-триггера, вторые входы третьей, четвертой схем

И и преобразователя код — частота подключены к синхрогенератору, обнуляющие входы первого RS-триггера и регистра памяти подключены к преобразователю, вычитающий вход реверсивного счетчика подключен к выходу преобразователя код — частота, а обнуляющий вход второго RS-триггера— к выходу дополнительного двоичного счетчика.

14843 сивным счетчиками, преобразователя код — частота, подключенного к двоичному счетчику, третьей схемы И, подключенной через первый RS-триггер к выходу двоичного счетчика и через двоично-десятичный счетчик к входу регистра памяти, и подключенной к . выходу реверсивного счетчика последовательной цепочки элементов из 10 преобразователя, формирователя, второго RS-триггера, четвертой схемы И и дополнительного двоичного счетчика, причем обнуляющие входы двоичнодесятичного и реверсивного счетчиков подключены к выходу формирователя

27.1 484331 д / Ю

Составитель Г.Параев

Техред И.Ходанич Корректор И.Куска

Редактор И.Горная

Заказ 2962/2 Тираж 621 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101