Введение к работе
Актуальность темы исследования. По мере развития технологий производства с/х продукции, в частности технологий точного земледелия, повышаются требования к определению химического состава и влажности каждого участка почвы, причем эта информация должна быть получена в реальном времени осуществления технологического процесса или до него. Одной из задач точного земледелия является определение тех участков поля, которые имеют аномальные величины питательных элементов и влажности. По данным участкам создаются почвенные карты (электронные) конкретного поля, которые в последующем используются для дифференцированного внесения удобрений и воды.
Традиционные методы измерения влажности почвы не в состоянии обеспечить достаточной информацией вследствие большой трудоемкости и низкой производительности. Такая проблема, например, возникает при анализе больших площадей с разнородными характеристиками поля: содержанием гумуса, химического состава, измерением их как по высоте почвенного слоя, так и по территории.
Использование оптических, в частности инфракрасных, методов контроля влажности материалов имеет широкое распространение и позволяет быстро получить информацию с минимальным временем на её обработку. Одним из направлений исследования оптических методов определения влажности почвы является использование собственного излучения почвы и воды в диапазоне 5,5 - 14 мкм. В последние годы появились электронные датчики для работы в этом диапазоне с чувствительностью, соответствующей собственному излучению почвы.
Степень разработанности проблемы измерения влажности почвы бесконтактным методом. В настоящее время для определения химического состава и влажности почвы широко используются инфракрасные спектральные анализаторы, работающие как в лабораторных, так и полевых условиях. Как правило, эти приборы предназначены для измерения единичных образцов почвы, имеют высокую точность и относительно низкую производительность, не соответствующую количеству необходимых измерений в процессе работы посевных и уборочных агрегатов.
Современные технические средства помимо бортовых компьютеров снабжены рядом сенсорных устройств (датчиков) для регистрации параметров технологического процесса, в частности урожайности и влажности зерна, привязанных к конкретным координатам поля. Характеристики самого поля (дефицит или избыток элементов питания) оцениваются через урожайность на конкретном участке. Другие способы оценки характеристик поля в технологическом процессе отсутствуют.
В настоящей работе предлагаются результаты разработки и исследования бесконтактного инфракрасного влагомера для почвы, использующего её собственное излучение, предназначенного для работы, как в полевых условиях, так и в стационарном процессе. Даются так же рекомендации по использованию инфракрасного излучения для построения влагомера и технология его использования.
Целью работы является создание полевого бесконтактного инфракрасного влагомера для почвы.
В соответствии с поставленной целью диссертационной работы сформулированы следующие задачи исследования:
-
Провести анализ методов и приборов измерения влажности почвы в полевых условиях для современных технологий сельскохозяйственного производства;
-
Провести теоретический анализ возможности оценки влажности почвы по ее собственному инфракрасному излучению;
-
Разработать прибор для измерения влажности почвы по ее излучению и провести экспериментальные исследования зависимости его сигнала от влажности и условий использования;
-
Разработать прибор определения влажности почвы и технологию его применения в полевых условиях;
-
Определить эффективность применения прибора при мониторинге влажности почвы в поле.
Объект исследования: пироэлектрический датчик и излучение почвы различной влажности в диапазоне 5,5 - 14 мкм.
Предмет исследования: зависимость сигнала пироэлектрического датчика от влажности почвы и условий измерения.
Методология и методы исследований. В работе применялись методы, используемые при проведении оптических, агрономических исследований и методы обработки получаемой информации: математической статистики в пакетах прикладных программ MathCAD, Statistika, Exel; регрессионного анализа на базе нейронных сетей в пакете Matlab.
Научная новизна работы. Выявлена возможность определения влажности почвы по её собственному излучению в оптическом диапазоне 5,5 - 14 мкм и создана нелинейная адаптивная модель измерения влажности в изменяющихся полевых условиях по температуре и влажности воздуха и температуре почвы.
Научная гипотеза. Излучательная способность почвы зависит от излучательной способности ее твердой, жидкой и газовой фаз и их соотношений. Оценка влажности почвы может быть осуществлена по соотношению её излучательной способности к излучательной способности эталонного образца почвы с известной влажностью независимо от температуры.
Теоретическая и практическая значимость. Предложенные прибор и технология его использования в полевых условиях позволяют определять влажность участков почвы на больших площадях в реальном времени и сократить трудовые затраты. Применение прибора возможно в технологиях точного земледелия при подключении к бортовому компьютеру в качестве датчика, для составления карты влажности и температуры поля при посеве, посадке и поливе однолетних и многолетних культур.
Положения, выносимые на защиту:
нелинейная адаптивная модель измерения влажности почвы в полевых условиях при различной температуре и влажности воздуха;
результаты теоретических и экспериментальных исследований интенсивности собственного излучения почвы при различной её влажности, температуре и условиях измерения;
устройство прибора для измерения влажности почвы в полевых условиях;
методика проведения измерений инфракрасного излучения почвы пироэлектрическим датчиком;
- технология измерения влажности почвы в полевых условиях.
Реализация результатов исследований. Разработан инфракрасный влагомер
почвы и технология его использования. В ходе проведения работы были обследованы поля учхоз-племзавода «Комсомолец» Мичуринского ГАУ и плодовые сады ОПО ВНИИС им. И.В. Мичурина Тамбовской области, показавшие практическую возможность использования влагомера. Результаты исследований приняты к разработке ООО НПП «Измерон-В» (г.Воронеж) для использования в комплексе измерительного оборудования беспилотного летательного аппарата сельскохозяйственного назначения, используются в учебном процессе Мичуринского государственного аграрного
5 университета при изучении дисциплин «Аэрокосмические методы в лесном хозяйстве и ландшафтном строительстве» и «Современные технологии и технические средства точного земледелия».
Степень достоверности результатов работы подтверждается теоретическими и экспериментальными исследованиями, проведенными с применением современных приборов (пироэлектрических датчиков, цифровых преобразователей), испытанием прибора в лабораторных и полевых условиях. При обработке экспериментальных данных были использованы методы математической статистики и регрессионного анализа, реализованного в нейронных сетях. Результаты теоретических исследований достаточно хорошо согласуются с лабораторными и полевыми данными.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены на: Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы энергетики АПК» г.Саратов, 2010; 63-ей научно-практической конференции студентов и аспирантов ФГОУ ВПО МичГАУ, г. Мичуринск 2011; Международной научно-практической конференции, посвященной 80-летию ФГОУ ВПО МГАУ «Интеграция науки, образования и производства в области агроинженерии» г. Москва, 2010; III Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы энергетики АПК» г. Саратов, 2012; всероссийской научно-практической конференции молодых ученых и специалистов, посвященной 100-летию ФГБОУ ВПО Воронежского ГАУ им.императора Петра I «Инновационные технологии и технические средства для АПК» г.Воронеж, 2012; 64-ой научно-практической конференции студентов и аспирантов ФГБОУ ВПО МичГАУ, г.Мичуринск 2012; 65-ой научно-практической конференции студентов и аспирантов ФГБОУ ВПО МичГАУ, г. Мичуринск 2013; I Международной научно-практической интернет конференции «Моделирование энергоинформационных процессов» г. Воронеж, 2012г.
Публикации результатов работы. Основные положения диссертационной работы отражены в 9 печатных работах, в том числе 3 работы в изданиях, рецензируемых ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, библиографического списка и приложений. Работа содержит 146 страниц основного текста, 69 рисунков, Ы таблиц и 7 приложений. Библиографический список включает в себя 149 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.
