«ТЕХНОЛОГИЯ И ТЕХНИЧЕСКОЕ СРЕДСТВО БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ ПОЧВЫ НА ОСНОВЕ ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ...»

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

МИЧУРИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ПОПОВ Александр Николаевич

ТЕХНОЛОГИЯ И ТЕХНИЧЕСКОЕ СРЕДСТВО

БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ ПОЧВЫ

НА ОСНОВЕ ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Специальность 05.20.02 – Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве (по техническим наук

ам)

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание учной степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Гордеев А.С.

Мичуринск – наукоград РФ,

РЕФЕРАТ

Диссертация содержит 146 машинописных страниц основного текста, рисунков, 14 таблиц, 149 литературных источников и 7 приложений.

Содержание работы Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, изложены основные научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Методы и приборы определения влажности почвы в полевых условиях. Обзор литературы» рассматриваются существующие методы и приборы полевых измерений влажности почвы.

Во второй главе «Теоретическое обоснование возможности оценки влажности почвы по е излучательной способности в диапазоне 5,5 – 14 мкм» рассмотрена модель формирования лучистого потока почвы, приведены смоделированные зависимости значения излучения почвы при разном ее влагосодержании. Предложена факторная модель влажности почвы, от которых зависит ее ИК излучение.

В третьей главе «Методика и технические средства взаимосвязи излучения почвы и е влажности» изложена программа и методики экспериментальных исследований. Представлен прибор – инфракрасный влагомер почвы («ИКВП-01») на базе пироэлектрического датчика MLX, его схема для измерения изучения, и нелинейная адаптивная модель на базе многослойной нейронной сети прямой передачи.

В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований определения влажности в ИК диапазоне 5,5 – 14 мкм» представлены результаты проведенных экспериментов. Определена эффективность корректировки сигнала прибора нейронной сетью.

В пятой главе «Технико-экономическая эффективность» предложена схема технологического процесса измерения влажности прибором «ИКВП – 01» и произведен расчет экономической эффективности.

Представлены общие выводы и список работ, где опубликовано основное содержание диссертационной работы.

В приложениях представлен статистический материал исследований и акты внедрения результатов диссертационной работы.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ

ПОЧВЫ В ПОЛЕВЫХ УСЛОВИЯХ. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Обследование участков поля и его техническое обеспечение............... 1.2 Методы и приборы для определения влажности почвы

1.3 Состояние воды в почве

1.4 Оптические свойства инфракрасного излучения

1.5 Источники инфракрасного излучения

1.6 Оптические свойства воды

1.7 Инфракрасные системы для восприятия ИК излучения

1.7.1 Структурная схема ИК системы

1.7.2 Приемник инфракрасного излучения – пироэлектрический датчик в диапазоне 5,5 – 14 мкм

1.8 Выводы по главе 1 и задачи исследования

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ

ОЦЕНКИ ВЛАЖНОСТИ ПОЧВЫ ПО ЕЁ ИЗЛУЧАТЕЛЬНОЙ

СПОСОБНОСТИ В ДИАПАЗОНЕ 5,5 – 14 МКМ

2.1 Использование излучения почвы в диапазоне 5,5 – 14 мкм для оценки ее влажности

2.2 Почва, как излучающее тело

2.3 Теоретический анализ излучения почвы для полевых условий............ 2.4 Излучательная способность почвы в зависимости от ее влажности..... 2.5 Факторная модель влажности почвы

2.6 Выводы по главе 2

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА И ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ВЗАИМОСВЯЗИ

ИЗЛУЧЕНИЯ ПОЧВЫ И ЕЁ ВЛАЖНОСТИ

3.1 Программа экспериментальных исследований

3.1.1 Характеристики приборов для измерения физических параметров почвы и окружающего воздуха

3.1.2 Конструкция и технические характеристики инфракрасного влагомера почвы «ИКВП-01»

3.1.3 Схема инфракрасного влагомера почвы «ИКВП-01» и ее работа

3.1.4 Стенд для измерения инфракрасных характеристик почвы...... 3.2 Методика экспериментальных исследований

3.2.1 Подготовка почвы для лабораторных исследований.................. 3.2.2 Методика определения влажности почвы

3.2.3 Методика проведения измерений инфракрасного излучения почвы пироэлектрическим датчиком MLX

3.2.4 Дополнительные факторы, учитываемые при проведении эксперимента

условиях

исследований

3.5 Методика обработки экспериментальных данных нелинейной адаптивной моделью влажности почвы на базе нейронной сети ..................

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ В ИК

ДИАПАЗОНЕ 5,5 – 14 МКМ

сигнала пироэлектрического датчика MLX от влажности почвы................. датчика MLX

4.3 Результаты экспериментальных исследований сигнала излучения почвы в поле

4.4 Нелинейная адаптация сигнала датчика нейронной сетью к условиям измерения

4.5 Выводы по главе 4

ГЛАВА 5. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ........... (ИКВП-01) в полевых условиях

5.2 Эффективность применения прибора «ИКВП – 01»

5.3 Совершенствование конструкции прибора «ИКВП – 01»

«ИКВП – 01»

5.5 Выводы по главе 5

ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ

ПРИМЕНЯЕМАЯ ТЕРМИНОЛОГИЯ

ЛИТЕРАТУРА

ПРИЛОЖЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

В сельском хозяйстве влажность почвы обуславливает целесообразность выращивания тех или иных видов растений и применения различных агротехнических примов [87]. При решении задачи повышения урожайности сельскохозяйственных культур одним из лимитирующих факторов, отражающих условия влагообеспеченности, является влажность почвы. При недостатке влаги резко снижается урожайность. Растения необходимо снабжать водой в нужное время, в нужном количестве и правильными способами полива. С другой стороны, избыток влаги угнетает растения, не меньше, чем е недостаток.

Полевые агрономические исследования пахотного слоя почв нужны для правильного определения сроков начала пахоты, внесения удобрений, уборке урожая. Контроль влажности почв необходим для правильного ведения орошения земель – определения сроков и продолжительности поливов, управления автоматизированными оросительными системами.

Экономический эффект, который может получить народное хозяйство от повсеместного и достаточно точного контроля влажности, чрезвычайно велик.

Оценить его в денежном выражении трудно, в частности потому, что в большинстве случаев экономия достигается в результате не самого получения информации о влажности, а целенаправленного использования этой информации [88, 43, 84].

В качестве основных источников экономии, обусловленной получением информации о влажности или усовершенствованием этой информации, могут рассматриваться:

устранение или сокращение непроизводительных материальных потерь, обусловленных отсутствием информации о влажности, е неточностью или несвоевременным получением.

улучшение технико-экономических показателей процессов выращивания, хранения и переработки с/х продукции, для которых влажность является существенным влияющим фактором.

замена ручных аналитических определений влажности, выполняемых в массовом масштабе множеством лаборантов, измерениями с помощью инструментальных средств. Благодаря быстродействию и другим достоинствам последних, достигается значительное сокращение трудовых затрат, расхода энергии и снижение сроков анализа.

При этом главным источником экономии следует считать возможность оперативного использования информации о влажности для воздействия на различные процессы, а так же выполнение измерений в тех объектах, для которых применение лабораторных аналитических методов невозможно или вызывает большие затруднения.

Управление водным режимом почвы, невозможным без накопления данных наблюдений, является одним из важных приемов повышения производительности сельскохозяйственных угодий. Основным способом получения информации о состоянии поля или его отдельных участков в настоящее время является термогравиметрический метод, который предусматривает отбор проб с исследуемого участка поля с последующим анализом в стационарной лаборатории, а так же с помощью множества электронных приборов, способных по тем или иным электрическим или оптическим параметрам почвы определять е влажность. В любом случае параметры почвы определяются путем отбора отдельной пробы или погружением датчика в слой почвы. В связи с необходимостью увеличения производительности измерений влажности на отдельных участках поля, вызванной совершенствованием технологий производства (точное земледелие, адаптивные технологии и т.д.), возникает необходимость в совершенствовании методов и приборов определения влажности почвы непосредственно в поле при выполнении технологического процесса или при подготовке поля к использованию. Одним из таких направлений может быть метод бесконтактного определения влажности, в основе которого лежит электромагнитной радиации [8, 58]. К бесконтактным методам можно отнести методы, основанные на регистрации излучения в различных диапазонах электромагнитного спектра, в частности регистрации собственного излучения почвы и воды в диапазоне 5,5 – 14 мкм.

Актуальность совершенствования методов и приборов для измерения влажности почвы путем бесконтактного измерения на основе инфракрасного излучения.

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 е обработку [8]. Одним из направлений исследования оптических методов определения влажности почвы является использование собственного излучения почвы и воды в диапазоне 5,5 – 14,0 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 технологическом процессе отсутствуют.

В настоящей работе предлагаются результаты разработки и исследования бесконтактного инфракрасного влагомера для почвы, использующего е 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.

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 е собственному инфракрасному излучению.

Разработать датчик для измерения влажности почвы по е 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, Ststistika, Exel; регрессионного анализа на базе нейронных сетей в пакете Matlab; систематизации режимов работы и обработки оптической информации.

Научная новизна работы. Выявлена возможность определения влажности почвы по е собственному излучению в оптическом диапазоне 5,5 – 14,0 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 е излучательной способности к излучательной способности эталонного образца почвы с известной влажностью независимо от температуры.

Теоретическая и практическая значимость работы. 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 е влажности, температуре и условиях измерения;

устройство прибора для измерения влажности почвы 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 университета при изучении дисциплин «Аэрокосмические методы в лесном хозяйстве и ландшафтном строительстве» и «Современные технологии и технические средства точного земледелия».

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 практической конференции студентов и аспирантов ФГБОУ ВПО МичГАУ, г.Мичуринск 2013; 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 объм диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, библиографического списка и приложений.

Работа содержит 146 страниц основного текста, 69 рисунков, 14 таблиц и 7 приложений.

отечественных и зарубежных авторов.

ГЛАВА 1. МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ

ПОЧВЫ В ПОЛЕВЫХ УСЛОВИЯХ. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Обследование участков поля и его техническое обеспечение Почвенный анализ является неотъемлемой частью выращивания сельскохозяйственных культур. При почвенном анализе необходимо измерять:

химический состав, влажность и температуру почвы; температуру, влажность и скорость окружающего воздуха, влияющие на рост растений [109].

Для каждого вида растений (зерновые культуры, овощи, фруктовые деревья, ягоды, цветы и д.р.) существуют оптимальные условия для роста [92].

Оптимальное сочетание всех агроэкологических факторов (водный, питательный, тепловой, воздушный), учет их биологических требований, почвенноклиматических и погодных условий, фитосанитарного состояния почв, является основой высокой продуктивности и устойчивости насаждений.

При выборе и оценке земельных участков под закладку плодовых, ягодных, злаковых, бобовых и других культур проводят комплексное обследование, при котором учитывают: характеристику типов, разновидностей почв, их качественное состояние и уровень естественного плодородия (с указанием структурности, плотности, рыхлости, влагомкости, водопроницаемости почв, обеспеченности их азотом, фосфором и калием, кислотности почвенной среды, солонцеватости, карбонатности, заболоченности), характеристику водного режима участка, наличие запасов продуктивной влаги в слое почвы, состояние влажности воздуха, уровень залегания грунтовых вод [62].

На сегодняшний день в России агрохимическое обследование почвы проводится традиционным способом, в соответствии с «Методическими указаниями по проведению комплексного агрохимического обследования почв сельскохозяйственных угодий» (ЦИНАО, Москва, 1994 г.) [64].

Как правило, на анализируемом участке закладывается шурф или определяются точки для проведения измерений, зависящих от макро и микрорельефа местности (склоны, блюдца, бугорки, ложбинки и т.д.). При больших площадях это обычно – 1 точка на гектар. Размеры и местоположение участка определяются приблизительно, что соответственно дат приблизительный результат. Это особенно заметно при сравнении результатов анализа по разным годам, так как проба бертся не в том же самом месте, а с погрешностью в десятки метров или более.

При эксплуатации выбранных участков измерения проводят в основном в весенне-летний период по фазам развития растений. Однако данные рекомендации часто не соблюдаются, и измерения проводят перед посадкой, внесением удобрений и уборкой урожая. Это связано, во-первых, со сложностью получения и обработки огромного количества данных с больших площадей, когда определяются проблемные участки в сравнении с наилучшими (на склоне – верх, середина, низ). Во-вторых, с низкой производительностью в получении информации, сильной изменчивостью метеорологических условий по годам, неоднородностью почвенного плодородия земельных участков, отсутствием единовременности, равнокачественности и краткосрочности всех работ на площадях, с большим числом изучаемых параметров. Нарушение измерений ведет к полной утрате достоверности результатов. Ошибки, допущенные при выборе и оценке земельных участков по многолетним насаждениям, могут сказываться на протяжении всего периода их эксплуатации. Даже незначительные отклонения во влажности почвы, вызванные неравномерностью полива, могут привести к различиям в продуктивности растений [33].

Во многих сельскохозяйственных предприятиях мира используются более совершенные методы, основанные на автоматизированных системах измерения, компьютерной технике, системе глобального позиционирования (GPS, ГЛОНАС), имеющие целый ряд преимуществ.

Основными из них являются:

определение точного положения объекта на поле;

автоматическая разметка поля;

возможность визуального отображения длин и площадей объектов на мониторе бортового компьютера;

ведение пространственной базы данных, получаемой информации с привязкой к координатам поля;

автоматический отбор пробы почвы.

Выше перечисленные элементы входят в состав «точного земледелия» [97].

Основным принципом точного земледелия является непрерывный процесс отслеживания состояния почвы на том или ином микро участке поля. В частности контролируются плотность и твердость почвы, ее влажность и агрегатный состав, содержание в ней микроорганизмов и микроэлементов, их распределение по площади поля. На рисунке 1.1 представлена система точного земледелия.

1 – GPS – спутники; 2 – с/х техника с установленными измерительными комплексами;

3 – рабочее место агронома, инженера; 4 – результат – почвенные карты Рисунок 1.1 – Состав системы точного земледелия [101] Для реализации технологии точного земледелия необходимы: современная сельскохозяйственная техника, управляемая бортовым компьютером, способным дифференцированно проводить агротехнические операции внесение удобрений и т.д.), приборы точного позиционирования на местности (GPSпримники), технические системы, помогающие выявить неоднородность поля (автоматические пробоотборники, различные сенсоры и измерительные комплексы, уборочные машины с автоматическим учтом урожая, приборы дистанционного зондирования сельскохозяйственных посевов и другие).

Данными вопросами в нашей стране занимается Агрофизический НИИ Россельхозакадемии. Его разработкой является – автоматизированный комплекс, позволяющий создавать электронные контуры (карты) полей с сантиметровой точностью и агрохимическое обследование почв на современном уровне с использованием последних достижений в области информационных технологий, рисунок 1.2 [97]. Представленный комплекс состоит из: движителя – автомобиля, автоматического почвенного пробоотборника (глубина отбора – 25 см), спутниковой системы навигации, бортового компьютера и программного – автомобиль «Нива»; 2 – температуру воздуха и почвы, как на пробоотборник; 3 – система GPS Рисунок 1.2 – Автоматизированный неполивных землях, так и на полях, комплекс для создания электронных карт и обследования полей [97] полива (капельная, наружная, подземная и д.р.) и включает в себя следующие устройства:

поверхности гряды, так и в районе корневой системы;

концентратора, к которому подключен Рисунок 1.3 – Система мониторинга датчик влажности и температуры.

радиоканалов.

устанавливаются на конкретных участках местности и определяют в реальном времени основные параметры состояния почв. С помощью компьютера и соответствующего программного обеспечения происходит обработка данных, определяется количество удобрений, необходимое для конкретного участка земли; затем данные передаются на агрегаты, которые вносят удобрения.

Достоинствами таких систем являются малый расход удобрений, рост урожайности, более высокое качество продукции и более равномерная продуктивность.

Широкий обзор современного состояния сельскохозяйственного производства России, приоритетные направления развития техники и технологий, инновационное развитие производства продукции рассматривается в работах А.И.

Завражнова [37] и Ю.А. Судника.

Методы и приборы для определения влажности почвы Существующие методы определения влажности почвы делятся на прямые и косвенные [29, 4]. В прямых методах производится непосредственное разделение материала на сухое вещество и влагу. В косвенных методах измеряется величина, связанная с влажностью материала. Косвенные методы требуют предварительной калибровки с целью установления зависимости между влажностью материала и измеряемой физической величиной, рисунок 1.4.

высушивания (термогравиметрический), заключающийся в воздушно-тепловой сушке образца материала до достижения равновесия с окружающей средой. Это равновесие условно считается равнозначным полному удалению влаги [29].

Термогравиметрический метод в практике считается контрольным, с которым сравнивают все другие методы и способы определения влажности.

Однако точность определения влажности в отобранной почве зависит от способа отбора проб нарушением структуры образца, от времени взвешивания пробы температуры сушки, температуры и атмосферного давления. Так же влияют форма и размеры бюкс и сушильного шкафа, распределение температуры в сушильном шкафу, скорость движения воздуха в нем, мелких частиц образца [4].

Экстракционные методы основаны на извлечении влаги из исследуемого образца твердого материала водопоглощающей жидкостью (диоксан, спирт) и влагосодержания: плотности, показателя преломления, температуры кипения или замерзания и т.п. [4].

Основой химических методов является обработка образца твердого материала реагентов, вступающим в химическую реакцию только с влагой, содержащейся в образце. Количество воды в образце определяется по количеству жидкого или газообразного продукта реакции [4, 138]. Метод применим в широком диапазоне влагосодержания, отличается универсальностью, высокой чувствительностью и точностью.

Пикнометрические методы: определение плотности объмным методом, путм погружения почвы в жидкости различного удельного веса или же дополнительное увлажнение до водоудерживающей способности. Данные методы являются больше лабораторными и менее точными, чем термогравиметрический [4, 20].

Косвенные методы – такие методы, в которых используются физические характеристики, зависящие от влажности почвы или их среды. В этих методах оценка влажности материала производится по изменению различных его свойств.

К ним относятся механические методы, основанные на измерении изменяющихся с влажностью механических характеристик твердых материалов:

Определение влажности почвы по усадке под давлением. Данный метод основан на оценке механических свойств почвы. Образец почвы сжимается под высоким давлением, которое фиксируется на шкале «давление», на другой шкале отмечается величина усадки. Величина усадки выше, чем выше влажность исследуемой почвы. Однако усадка происходит только до некоторой степени насыщения почвы водой, близкой к полевой. При использовании этого метода необходимо градуировать прибор для каждой почвы [29, 4, 22].

Способы наблюдения за влажностью почвы по газапроницаемости пористых блоков. Пористые блоки помещают в почву или грунт на заданную глубину, которые через некоторое время приходят во влажностное равновесие с окружающей их почвой или другой дисперсной средой [108, 115]. Первичным преобразователем (датчиком) влажности является пористый блок небольших размеров, близкий по своим пористым характеристикам к окружающей его почве.

Влажностное равновесие между ними наступает через десятки минут. Поскольку в почве миграция влаги протекает медленно, то такая инерционность первичного преобразователя достаточна, чтобы им можно было пользоваться.

Гигрометрические методы основаны на связи между относительной влажностью воздуха в поровом пространстве и влагосодержанием почвы, путем определения влажности по температуре точки росы в поровом пространстве почвы; разности температур сухого и смоченного термометров; деформации водопоглощающих материалов, помещенных в почву и набухающих от е влажности. Преимущество данного метода – пригоден в случае малых значений влагосодержания [4].

Оптические методы определения влажности основаны на рассеянии света почвой при освещении источниками света постоянной мощности, а так же на поглощении или рассеянии инфракрасного излучения. Пример схемы влагомера неудовлетворительно характеризует среднюю влажность из-за влажности поверхностного слоя материала [4, 52].

1 – образец материала; 2 – диск со светофильтрами; 3 – синхронный электродвигатель; 4 – зеркала; 5 – лампа; 6 – вогнутое зеркало; 7 – фоторезистор.

инфракрасного влагомера на принципе отражения повышения качества плодоовощной продукции.

Кондуктометрические методы определения влажности почв.

В электрических методах используется зависимость электрических свойств почвы от влажности: электропроводность, диэлектрическая проницаемость, а так влагообменника, взаимодействующего с окружающей его почвой.

Трудность в использовании: электрическое сопротивление почвы зависит не только от влагосодержания в ней, но и от химического состава, плотности, температуры почвенных растворов; плохого контакта между электродами и почвой, процесса градуировки [29, 128]. При проведении серии лабораторных и полевых экспериментов прибором TR – 46908 [96] вышеперечисленные недостатки подтвердились.

гальванической пары, основанный на возникновении электрического тока в гальванической паре, погружаемой на ту или иную глубину в почву:

определение влажности по э.д.с. гальванической пары, находящейся в почве, или э.д.с. поляризации электродов;

использование электростатического метода.

Из-за минерализации почвенного раствора и не одинакового контакта, данный метод дат большую погрешность [29, 4].

Определение влажности в образцах почвы по поглощению радиоизлучений состоит в следующем: между радиопередатчиком и приемником помещают воду или влагосодержащий материал. Ослабление радиосигнала, воспринимаемого радиоприемником, зависит от толщины и плотности материала, а так же его влажности. Применительно к почве, метод имеет ограничения из-за ее большой неоднородности, что требует градуировки прибора на каждой почве при стандартном ее уплотнении. Искажение результата может быть связано и с наличием металлических примесей [29].

Емкостные и сверхвысокочастотные (СВЧ): контактные методы определения влажности основаны на том, что диэлектрическая проницаемость материала зависит от влажности. Метод измерения с помощью СВЧ основан на преобразовании: влажность – электрическое свойство материала; электрическое свойство материала – выходная величина измерительного прибора.

В работах авторов Гришина И.И. и Данилочкиной Е.А. [26, 27, 28, 31] используется высокочастотная низкоэнергетическая установка электромагнитного поля для измерения влаги в семенах и других биологических системах сельскохозяйственного назначения, рисунок 1.6.

Недостатками метода СВЧ являюся: низкая точность измерения от плотности, температуры, гранулометрического состава, наличие растворов;

необходимость градуировки в конкретных почвах [29, 4].

Определение влажности методом ядерно-магнитного резонанса (ЯМР) основано на потере энергии высокой и сверхвысокой частоты. Данный метод наиболее применим для лабораторных исследований из-за трудновыполнимого учта влияния окружающей среды и сложной дорогостоящей аппаратуры [54, 3].

Метод определения влажности, основанный на измерении теплофизических характеристик почв.

температуропроводность, тепломкость или их совокупность, в большей степени, зависят от влажности, чем от других факторов. Этот метод можно применять без термостатной сушки.

Причины, которые не позволяют его использовать: влажность измеряется в узком диапазоне; большие затраты времени на измерение; внесение длительного теплового импульса в почву приводит к перераспределению влажности на глубине. В ходе измерений необходим учт плотности почвы и обеспечение хорошего контакта термозонда с почвой [54].

нейтронного излучений [21]:

радиационные – основаны на поглощении гамма-излучении в слоях почвы определнной толщины;

нейтронный – основан на замедлении быстрых нейтронов (с энергией до 11 Мэв) влагой в почве с регистрацией замедленных нейтронов, плотность потока которых возрастает с увеличением влажности.

Рисунок 1.7 – Способы зондирования влагомеров [4, 21].

нейтронного и других радиационных методов является необходимость защиты от биологических действий излучения [21, 30].

Методы определения влажности почвы по потенциалу почвенной влаги (тензометрические) основаны на измерении капиллярного натяжения или энергии, с которой в почве удерживается влага. Измерения возможно проводить в области средних увлажнений почвы, т.е. от момента начала завядания растений, до наступления наименьшей полевой влагомкости [54].

Дистанционные методы – съмка или производство измерений на поверхности Земли (а иногда и подповерхностного слоя) без вхождения в физический контакт с поверхностью, осуществляемая при помощи летательного аппарата или наземной платформы с находящимися на них системами регистрации электромагнитного или гравитационных полей и определенного диапазона радиоизлучений с выдачей информации в виде сигналов, графиков, кривых спектральной яркости и массового числового материала [38]. На территориях с разряженным и низким растительным покровом, влажность почвы достаточно отчетливо проявляется на снимках. Теоретические основы космических и аэрометодов исследования земной поверхности применительно к определению влажности верхнего слоя почвы рассмотрены во многих работах [58, 69, 68, 124, 134, 51, 39], однако применение данных методов в сельском хозяйстве является технически сложным из-за дорогостоящего оборудования.

Самая важная часть дистанционного зондирования – анализ изображений.

Такой анализ может выполняться визуально; визуальными методами, усиленными применением компьютера, целиком и полностью компьютером; последние два включают в себя анализ данных в цифровой форме [66]. Предварительные исследования в видимой области спектра – анализ цветных изображений почвы на устройствах, приведенных в работе [126], не показали информативной значимости RGB координат для определения ее влажности.

дистанционному определению влагозапасов в почве и на ее поверхности путем регистрации гамма-излучения в самолетном или спутниковом варианте, рисунок 1.8 [105].

а) самолетный вариант; б) спутниковый вариант Рисунок 1.8 – Дистанционное зондирование земли которое зависит от влажности или содержания воды в покрове. Метод применяется для общей оценки влажности верхнего слоя почвы на огромных территориях, что не соответствует требованиям с/х предприятий, которым необходима информация о влажности его земель. Так же вероятна опасность загрязнения радиоактивными осадками значительной территории при авариях, в результате чего метод перестает работать [87].

Метод контроля за влажностью почв с помощью тепловой инфракрасной съемки основан на фиксации температурных характеристик почвы с различной влажностью. На территориях с разряженным и низким растительным покровом влажность почвы достаточно отчетливо проявляется на снимках. Территория с повышенной естественной влажностью и орошаемые массивы на фоне сухих площадей отмечаются сравнительно темным фототоном и сохраняют свой оптический контраст на снимках в диапазоне длин волн 0,4 – 1,1 мкм. С увеличением влажности почвогрунтов снижается значение яркости.

Минимальные значения отмечаются при достижении влажности, соответствующей капиллярной влагомкости и появлении в них свободной гравитационной воды [5].

В работе [35] Дроздова В.Г. применяется метод ИК спектрометрии для контроля влажности льнотресты.

Для измерения влажности важное значение имеют формы связи влаги с веществом, влияющие на свойства влагосодержащего материала, в том числе и почвы. Из известных классификаций видов и форм связи влаги чаще всего используется предложенная П.А. Ребиндером, основанная на величине энергии связи. По этой классификации всю влагу коллоидного капиллярнопористого тела можно разделить на следующие виды и формы (в порядке нарастания величины ) [4, 45, 87]: свободная вода, влага капиллярносвязанная (физикомеханической связи), влага адсорбционносвязанная (физико-химической связи), вода химически связанная (химической связи).

Химически связанная вода (гидратная или кристаллогидратная) наиболее прочно связана с влагосодержащим материалом. Ее молекулы входят в состав основного вещества и освобождаются лишь химическим взаимодействием или прокаливанием.

молекулярного силового поля. На начальном этапе сорбции на внешних и внутренних поверхностях тела создается мономолекулярный слой, наиболее прочно связанный с поверхностью адсорбента; затем он сорбирует второй слой, третий и т.д.; последующие слои связаны менее прочно.

Капиллярносвязанная вода образуется в микрокапиллярах поглощением воды из влажного воздуха или непосредственным соприкосновением, в сквозных макрокапиллярах – непосредственным соприкосновением. Причиной возникновения данной формы связи является капиллярное давление, обусловленное кривизной поверхности жидкости в капиллярах.

Данная классификация имеет значение при физических и химических методах определениях влажности. В почве присутствуют все виды влаги.

Оптические свойства инфракрасного излучения Инфракрасное (тепловое) излучение – является частью оптического излучения и занимает в спектре электромагнитных колебаний весьма протяженную область, примыкая с одной стороны к видимому (красному) излучению мкм, а с другой – к электромагнитным колебаниям радиодиапазона мм, рисунок 1.9.

Рисунок 1.9 – Спектр электромагнитного излучения [106] Инфракрасную область спектра принято делить на четыре части: ближнюю Согласно современным представлениям всякое нагретое тело испускает тепловые (инфракрасные) лучи, подобно тому, как всякое святящееся тело испускает световые лучи. Все пространство пронизано инфракрасным излучением. Каждую точку на поверхности нагретого тела можно рассматривать как центр, из которого испускается инфракрасное излучение во всех направлениях и, к которому поступает инфракрасное излучение из окружающего пространства. Иными словами, каждое тело постоянно излучает теплоту и получает благодаря такому же излучению теплоту от окружающих тел.

Отношение между этими количествами теплоты определяет температуру тела.

способности одинаково для всех тел, не зависит от их природы и является универсальной функцией длины волны излучения и температуры [52]:

– температура тела, оK.

где Для двух тел, одно из которых является абсолютно черным, справедливо соотношение:

где – излучательная способность абсолютно черного тела.

Т.е. отношение излучательной способности тела к поглощательной одинаково для всех тел и равно излучательной способности абсолютно черного тела – тело, коэффициент поглощения которого равен единице независимо от длины волны, направления распространения и поляризации падающего излучения [5, 52].

Закон интегрального излучения, согласно которому суммарная энергия излучения любого тела пропорциональна разности четвертых степеней абсолютных температур тела и окружающей среды имеет вид [52]:

– постоянная Больцмана, оK.

где Тепловое излучение испускается всеми телами при любых температурах отличных от абсолютного нуля. Характер излучения зависит от агрегатного состояния вещества. Согласно теории Бора излучение энергии связано с переходами атомов или молекул с более высоких энергетических уровней на более низкие. Эти переходы сопровождаются испусканием квантов излучения.

Суммарную плотность излучения абсолютно черного тела, т.е. плотность излучения в диапазоне длин волн 0…, определяют по закону СтефанаБольцмана [4]:

– плотность излучения, Вт/м2;

где Абсолютно черное тело – научная абстракция: в природе такого тела не существует [5, 4]. Для реальных тел закон Стефана-Больцмана не применим, так как распределение плотности излучения по спектру у реальных тел и у абсолютно черного тела различны. Однако у большинства твердых тел с шероховатыми поверхностями, особенно у диэлектриков, полупроводников и окислов металлов, распределение энергии по спектру имеет такой же характер, как и у абсолютно черного тела. Такие тела называют серыми.

Серое тело – тепловой излучатель с относительным распределением энергии в спектре, одинаковым с относительным распределением энергии в спектре абсолютно черного тела при той же температуре. Оно характерно тем, что отношение его энергетической яркости к энергетической яркости абсолютно черного тела при той же температуре, называемое коэффициентом излучения, не зависит от длины волны. Введение понятия «серого тела» расширяет возможности практического использования закона Стефана-Больцмана, который для серого излучателя принимает вид:

Коэффициент излучения зависит от материала, температуры, состояния излучающей поверхности и степени ее окисления [52]. Плотность излучения Коэффициент излучения повышается при увеличении шероховатости поверхности. Если высота бугорков шероховатости превышает в несколько раз длину волны излучения, как это имеет место для почвы, то коэффициент излучения шероховатой поверхности подсчитывается по эмпирической формуле:

где – коэффициент излучения гладкой поверхности. В таблице 1.1 представлены коэффициенты излучения различных материалов.

Коэффициент излучения воды близок к единице. Практически слой воды, толщиной более 0,2…0,3 мм, можно считать абсолютно черным телом [52].

Коэффициент излучения чернозема, который можно считать серым телом, близким к абсолютно черному телу. Вещества, прозрачные для инфракрасного излучения и непрозрачные в видимой области, используются в качестве светофильтров для выделения инфракрасного излучения [1, 130].

материалов [52] Оптические свойства веществ (прозрачность, коэффициент отражения, коэффициент преломления) в инфракрасной области спектра, как правило, значительно отличаются от оптических свойств в видимой и ультрафиолетовой областях. Многие вещества, прозрачные в видимой области, оказываются непрозрачными в некоторых областях инфракрасного излучения и наоборот.

Например, слой воды толщиной в несколько сантиметров непрозрачен для инфракрасного излучения с длиной волны мкм (вода часто используется, как теплозащитный фильтр).

Источники инфракрасного излучения Источниками инфракрасного излучения называют любые материальные системы, излучающие электромагнитные волны инфракрасной области спектра.

Их можно разделить на следующие группы:

ландшафты, атмосфера);

электрические лампы накаливания, стержневые и плоскостные излучатели с электронагревом, дуговые лампы), лазеры;

инфракрасными системами.

Естественными источниками инфракрасного излучения являются Солнце, Луна, планеты, звезды, облака, атмосфера и поверхность Земли. В некоторых случаях это излучение служит для подсвета наблюдаемых объектов, чаще оно представляет собой мешающий фон.

Спектральное распределение плотности излучения Солнца за пределами атмосферы, представлено на рисунке 1.10, примерно такое же, как у абсолютно черного тела с температурой 6000.

При прохождении солнечного излучения через атмосферу оно поглощается и рассеивается компонентами атмосферы, в результате чего до поверхности Земли доходит лишь излучение с длинами волн 0,3…3 мкм. Мощность и спектральный состав солнечного излучения, дошедшего до поверхности Земли, сильно зависит от высоты Солнца и состояния атмосферы.

атмосферы; 3 – на уровне моря распределение плотности излучения волны, поэтому максимум кривой абсолютно черного тела [52] сдвинут в длинноволновую область спектра. Принято считать, что максимум суммарной плотности излучения Луны соответствует длине волны 0,64 мкм, а ее Атмосфера, облака.

Следует различать собственное излучение атмосферы, обусловленное наличием в ней водяного пара, углекислого газа и озона, и рассеянное излучение Солнца. Установлено, что в диапазоне от 3 до 4 мкм, почти в любых условиях, энергетические яркости собственного и рассеянного излучения одинаковы. В области более коротких волн рассеянное излучение является преобладающим, так что собственное излучение ночью невелико, а днем им можно вообще пренебречь.

При длинах волн более 4 мкм доминирует собственное излучение [52].

Земная и водная поверхность.

В дневное время излучение земной поверхности состоит из отраженного и рассеянного солнечного света и собственного теплового излучения. Спектральная характеристика излучения имеет два максимума: один при длине волны (собственное излучение, соответствующее температуре поверхности 280 ).

Минимум между ними приходится на длину волны 3,5 мкм.

При мкм большая часть излучения обусловлена отраженной солнечной радиацией, интенсивность которой зависит от положения Солнца, облачности и коэффициента отражения земного покрова.

В диапазоне мкм спектральная кривая излучения наземного фона достаточно близко совпадает с кривой излучения черного тела с такой же температурой. Это излучение сильно поглощается атмосферой и только в «окне пропускания» от 8 до 14 мкм беспрепятственно уходит в мировое пространство [70].

Собственное излучение земной поверхности в видимой зоне спектра практически отсутствует, рисунок 1.11 [50].

Рисунок 1.11 – Интенсивность излучения Солнца и Земли [50] В спектральной зоне от 2 до 5 мкм интенсивности собственного и отраженного излучения примерно одинаковы. Собственное излучение испускается земными объектами на длинах волн более 5 мкм. Максимум собственного излучения приходится на длину волны мкм.

Интенсивность собственного излучения B зависит от температуры объекта и длины волны. Аналогично отраженному, собственное излучение может быть диффузным и направленным. Собственное тепловое излучение земной поверхности определяется ее коэффициентом излучения и температурой Т.

Представление о средних значениях коэффициентов излучения некоторых земных покровов дают таблицы 1.1 и 1.2. Интенсивность собственного теплового излучения с длиной волны очень мала, рисунок 1.11 [52]. В диапазоне мкм наблюдается как рассеянное, так и собственное излучение, причем в зависимости от условий наблюдения преобладает тот или иной вид излучения. При мкм яркости неба и Земли вблизи горизонта близки друг другу; при мкм диапазонах спектра, где поглощение не очень сильно, яркость Земли при визировании на несколько градусов ниже горизонта обычно больше яркости неба при визировании на несколько градусов выше горизонта [115].

Таблица 1.2 – Средние значения коэффициентов излучения некоторых земных покровов в различных спектральных интервалах [52] Хвойные ветки зеленые Экспериментально установлено, что в диапазоне длин волн менее 3 мкм доминирует отраженное и рассеянное солнечное излучение. В этом диапазоне длин волн, как правило, можно пренебречь собственным тепловым излучением фонов. Наоборот, в диапазоне длин волн более 4 мкм превалирует собственное тепловое излучение фонов и можно пренебречь отраженным солнечным излучением [115, 70]. В этом диапазоне инфракрасного излучения наблюдается ярко выраженный минимум яркости фоновых образований.

Поверхность воды, когда нет волн, является хорошим отражателем и плохим излучателем. В соответствии с рисунком 1.12 излучение водной поверхности зависит от ее температуры и состояния.

(ИСПОЛЬЗУЕМАЯ ТЕРМИНОЛОГИЯ).

1 – бурун; 2 – сильное волнение моря; 3 – спокойная поверхность моря; – водная поверхность после захода важные из экстремальных точек следующие:

солнца; 5 – абсолютно черное тело.

спектральной энергетической яркости водной поверхности [52] Большая часть полос поглощения жидкой воды представляет собой полосы поглощения водяного пара, смещенные в сторону длинноволновой части спектра. Полосы перекрываются друг другом, обуславливая сильное поглощение во всей инфракрасной области спектра. Подробные данные об приведены в работе [5].

Зависимость излучательной способности от угла визирования имеет для воды не ламбертовский характер. Излучение довольно стабильно от 0 до (практически вода может считаться абсолютно черным телом), а затем начинается быстрое уменьшение излучательной способности [5, 115, 127].

Инфракрасные системы для восприятия ИК излучения 1.7.1 Структурная схема ИК системы Обобщенная структурная схема ИК систем, представленная на рисунке 1.14, содержит четыре основных звена: оптическую систему 1, приемное устройство 2, устройство обработки информации 3, устройство выдачи информации 3 [115, 127, 32].

ОС – оптическая система; УП – приемное устройство; УОИ – устройство обработки Оптическая система предназначена для восприятия ИК излучения, чувствительных элементах приемного устройства. Она состоит из подвижных и неподвижных оптических элементов, к которым относятся фокусирующая оптика, фильтры, сканирующие и модулирующие устройства. Эти устройства осуществляют восприятие ИК излучения, его оптическую и пространственную фильтрацию и модуляцию. Оптическая система может быть одно – и многоканальной.

Приемное устройство предназначено для преобразования ИК излучения в электрический сигнал и состоит из приемников теплового излучения с предварительными усилителями сигналов, опорных источников излучения и устройств охлаждения приемников.

Устройства обработки информации выполняются на транзисторах, микросхемах. В зависимости от задач обработки они могут включать в себя усилители, фильтры, пороговые устройства, различного рода нелинейные элементы. В более сложных случаях в устройства обработки входят специализированные аналоговые или цифровые вычислители.

Информация на выходе может быть представлена в виде ИК изображений, непрерывных сигналов, табличной, цифровой и текстовой информации. Она может выдаваться для непосредственного наблюдения или записываться на аналоговые или цифровые носители. В зависимости от потребностей устройства выдачи информации могут иметь в своем составе индикаторные, печатающие, фоторегистрирующие, записывающие и запоминающие устройства.

1.7.2 Приемник инфракрасного излучения – пироэлектрический датчик в диапазоне 5,5 – 14 мкм Пироэлектрический датчик – это приемник, предназначенный для преобразования длинноволнового инфракрасного излучения (с длиной волны 3 – пироэлектрических датчиков. Самые простые имеют принцип термоконденсатора и способны только сформировать импульс при изменении температурной картины в поле зрения. Постоянную составляющую ИК излучения зафиксировать они неспособны и используются, главным образом, в охранных сигнализациях.

термобатареи (thermopile sensors) MLX90614 с цифровым выходом [104, 107]. Их устройство представлено на рисунке 1.15 [76, 84]. Эти датчики изначально откалиброваны на заводе – изготовителе и удобны в работе. Подобные датчики имеют отличный угол обзора чувствительного элемента. Типичной является величина ±45 градусов, но встречаются датчики с углами обзора от ±15 до ± градусов. Пироэлектрические датчики оформлены в цилиндрическом или прямоугольном металлическом корпусе с тремя или четырьмя медными противоположном стороне выводов, расположено прямоугольное или круглое окошко, закрытое стеклянным или кварцевым фильтром, пропускающим преимущественно инфракрасные лучи в диапазоне от 5,5 до 14 мкм. Типовая схема простейшего пироэлектрического датчика приведена на рисунке 1.16.

нескольких слов специальной керамики созданной на знакопеременными электрическими свойствами [111, 76, 112]. На одну из обкладок нанесен слой вещества, способного поглощать электромагнитное инфракрасное температура пластины конденсатора увеличивается и транзистор и резистор; 4 – определенной полярности. Будучи приложенным к сопротивления его канала.

Рисунок 1.16 – Типовая схема пироэлектрического датчика [100] – выходной сигнал спадает до нуля. Спектральная чувствительность датчика формируется за счет поглощающей способности материала, которым покрыты пластины пироэлектрика. На рисунке 1.17 приведены различные спектральные характеристики пироэлектрических датчиков [76, 99, 84].

Учитывая, что инфракрасное излучение земли находится выше 4 мкм, наиболее целесообразной характеристикой для этих целей является спектральная характеристика 3 [108, 76, 99].

1 – для обнаружения пламени; 2, 3 – для фиксации движения человека; 4 – для использования в Рисунок 1.17 – Относительная спектральная чувствительность пироэлектрических Влажность является одним из показателей качества почвы при производстве продукции растениеводства. Содержание влаги в почве является лимитирующим фактором. В сельскохозяйственном производстве необходимы предварительные исследования влажности по каждому полю и отдельных его участков.

Существуют методы и приборы полевых измерений влажности почвы, основанные на физических свойствах влаги и почвы. Используемые методы имеют разную погрешность и трудоемкость. В связи с совершенствованием технологических процессов производства сельскохозяйственной продукции, систем точного земледелия, управлением оросительными системами появляется необходимость в измерении влажности в режиме реального времени – по каждому участку поля в процессе выполнения сельскохозяйственных работ и при их проектировании.

Для осуществления оперативных измерений влажности почвы необходимо применять бесконтактные методы, основанные на измерении электромагнитного излучения. Эти методы имеют достаточное освещение в классической литературе по измерению влажности и техническим средствам измерения. Однако описания бесконтактных приборов и их применения для измерения влажности в полевых условиях в литературе нет.

В диапазоне длин волн менее 3 мкм присутствует отраженное и рассеянное солнечное излучение, а собственное излучение земной поверхности – отсутствует. Собственное излучение земли приходится на диапазон от 4 до 40 мкм. В этом же диапазоне находится часть солнечного излучения. Максимум промышленности освоены инфракрасные датчики – пироэлектрические и тепловизионные матрицы, что предполагает возможным бесконтактное измерение влажности почвы в полевых условиях, в диапазоне от 4 до 14 мкм.

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ

ОЦЕНКИ ВЛАЖНОСТИ ПОЧВЫ ПО ЕЁ ИЗЛУЧАТЕЛЬНОЙ

Использование излучения почвы в диапазоне 5,5 – 14 мкм для оценки ее влажности Общая схема измерения излучательной способности тела При оценке излучательной способности почвы, исходя из цели и задач, приведенных в главе 1, необходимо обозначить концептуальную модель схемы измерения, т.к. сама почва и условия ее измерения имеют ряд специфических особенностей, которые необходимо учитывать.

Почва является многокомпонентной средой, каждая из которых имеет свою инфракрасную характеристику, однако для целей данной работы этот факт не имеет принципиального значения – для выделения отдельных компонентов существуют инфракрасные методы лабораторного анализа [1].

Исходя из цели и задач настоящей работы, сформулирована следующая 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 е излучательной способности к излучательной способности эталонного образца почвы с известной влажностью независимо от температуры.

Теоретические предпосылки доказательства гипотезы приводятся в данной главе, экспериментальные – в последующих главах.

Определим исходную схему измерения излучения почвы, рисунок 2.1.

Определим ось О-О как воображаемое направление, перпендикулярное поверхности почвы.

инфракрасное излучение; 3 – водяной пар; 4 – растительность (дерево); П – приемник расположен под углом визирования инфракрасного излучения.

Рисунок 2.1 – Схема излучения почвы Направленная интегральная излучательная способность объекта (почвы) в сторону измерительного прибора для спектрального диапазона будет равна [125].

где – лучистый поток излучения объекта (почвы) в сторону для длины волны при температуре T; – лучистый поток излучения абсолютно черного тела в сторону для длины волны при температуре T. Если принять угол направления излучения постоянным и равным нулю =0 и обозначить интегральные потоки:

то коэффициент излучения объекта (почвы) при данной температуре будет равен:

С другой стороны, согласно уравнению Кирхгофа, для инфракрасной области спектра справедливы соотношения [125]:

коэффициент отражения материала объекта (почвы).

В общем случае коэффициенты излучения тел зависят от следующих факторов:

агрегатного состояния вещества W (твердое, жидкое, газообразное);

состояния поверхности S (полированная, матовая, шероховатая, пористая); для непрозрачных твердых тел и поглощения в веществе для полупрозрачных тел;

факторов.

Таким образом интегральный коэффициент объекта излучения можно Существуют прямые и косвенные методы определения спектральной излучательной способности тела, в том числе методы, основанные на связи ее с отражательной способностью при температуре. Результаты этих определений могут быть распространены и на другие температуры, однако ошибку определить нельзя, так как влияние температуры на отражательную и излучательную способности для реальных тел, в частности для почвы, практически не изучено. Этому способствует отсутствие широких исследований по данному вопросу для почвы и малодоступность, до недавнего времени, соответствующих приборов для измерения излучения в диапазоне 5,5 – 14 мкм, которые были бы способны работать в полевых условиях.

Измерение собственного излучения любого объекта связано, прежде всего, с тем, что оно зависит от его температуры и температуры окружающего фона. Для определения интегральной излучательной способности в диапазоне температур, значительно превышающих температуру окружающего фона, когда его можно не учитывать, применяется традиционный метод исследования, основанный на сравнении излучений образца и эталонного источника (аналога абсолютно черного тела). Для этого применяют оптическую коммутацию потоков излучения.

Оптическая коммутация может быть организована разными методами, в том качающееся зеркало; «Образец», «Эталон» – объекты измерения, соответственно исследуемый образец и эталонный (абсолютно черное тело);

– угол качения зеркала; – поток излучения, попадающий в прибор;

– поток излучения исследуемого образца; – поток излучения эталона;

U – сигнал прибора.

способности образца с температурой входному интегральному потоку излучению.

значительно выше температуры окружающего фона.

способности объекта – исследуемого образца при температуре T равна отношению его интегрального потока излучения к интегральному потоку излучения абсолютно черного тела – эталонному образцу при той же температуре.

интегральный поток излучения эталонного образца.

Полный перенос тепла путем излучения к чувствительному элементу, который обращен к источнику-эталону, являющемуся абсолютно черным телом с температурой T, определяется формулой:

где аппаратурный фактор; температура среды, окружающей чувствительный элемент.

Сам чувствительный элемент обычно имеет покрытие, позволяющее рассматривать его как черное тело.

Полный перенос тепла путем излучения к чувствительному элементу, который обращен к источнику-образцу, не являющемуся абсолютно черным телом, определяется формулой:

где член, соответствующий излучению, которое исходит от окружающих тел (фона) при температуре и отражается от образца к чувствительному элементу с температурой отражательная способность образца с температурой для излучения с эффективной температурой. Для С учетом (2.5) – (2.7) излучающая способность образца будет при равна:

Моделирование выражения (2.8), приведенное на рисунке 2.3 показывает диапазоны изменения излучающей способности тела при различных реальных температурах в поле. Зависимости приведены для реальных температур образцов (почвы), имеющейся в поле в летний период. При анализе следует иметь ввиду, Рисунок 2.3 – Зависимость излучения образца от его температуры Fобр(T) для различных температур целом излучение образца нелинейно повышается по мере повышения его температуры T.

На рисунке 2.4 приведены зависимости излучения образца от температуры фонового излучения для различных температур излучения образца T, что и на рисунке 2.3. Аналогично наблюдается эффект отрицательного излучения Рисунок 2.4 – Зависимость излучения образца от температуры образца температуры фонового излучения Fобр( ) для различных температур фонового излучения Рисунок 2.5 – Зависимости отношения излучений (2.9) от излучательной способности температуры образца и образца для различных температур образца излучательной способности T при температуре фона при так и отрицательным.

чувствительности по абсолютной величине связано с увеличением абсолютной Рисунок 2.6 – Зависимости отношения излучений (2.9) от излучательной способности образца для различных температур фона зависимости от температуры образца T и излучательной способности может быть как положительным, так и отрицательным.

Таким образом, следует ожидать, что отношение сигналов от излучений образца и фона не будет зависеть от величины излучения фона, но будет зависеть от температуры образца и температуры фона.

Теоретический анализ излучения почвы для полевых условий В случае измерения ИК излучения почвы в полевых условиях ее температура приближена к температуре окружающей среды и ниже ее. Это особенно существенно, когда фон излучения соизмерим с излучением объекта, причем нарушение термодинамического равновесия может происходить в двух противоположных направлениях: от почвы к прибору (фону) и от прибора (фона) к почве. Это обуславливает появление положительных (к прибору) потоков излучения и отрицательных – от прибора к почве. Поэтому следует учитывать при измерениях излучение окружающего фона, к которому следует также относить и излучение самого измерительного прибора.

Под «низкими» температурами подразумеваются температуры объектов излучения, которые сравнимы с температурами окружающей среды (фона) или ниже их.

Основная трудность объективного описания характеристик излучения при низких температурах состоит в том, чтобы отделить исследуемое излучение от фона, на котором проектируется объект исследований и который имеет температуру того же порядка или ниже. Этот вопрос имеет первостепенное значение для истолкования экспериментальных фактов, когда необходимо не только отделить фоновое излучение, но и предсказать зависимость результата, как от влажности почвы, так и от температуры объекта и фона.

Рассмотрим влияние фона теплового излучения на показания приемника измерительного прибора. Схема определения излучательной способности образца с температурой соизмеримой с температурой окружающего фона приведена на рисунке 2.7.

П – измерительный прибор; З – качающееся зеркало; «Образец», «Эталон» – объекты измерения, соответственно исследуемый образец и эталонный (абсолютно черное тело); Ф – объект фона, окружающая среда; – угол качения зеркала;

– поток излучения, попадающий в изменении температуры приемника или прибор; – поток излучения исследуемого образца; – поток излучения эталона; – прибора; – отраженный поток излучения фона; – – температура объекта измерения; – температура фона;

– температура приемника; U – сигнал прибора. отраженный поток излучения прибора;

Рисунок 2.7 – Схема определения излучательной способности образца с температурой соизмеримой с температурой считаться с наличием в потоке излучения образца отраженных составляющих.

Тогда поток, излучаемый образцом при температуре T равен:

Второе слагаемое описывает отраженные составляющие, которые связаны с Рассмотрим метод приближенного определения, приведенный в [5, 52].

Метод может быть реализован в случае, если излучательная способность не очень сильно зависит от температуры, что выполняется для большинства материалов в области до, что в полной мере относится и к почве, т.к. диапазон температур почвы, когда производят измерение влагосодержания, находится в Пусть плоский зеркально отражающий непрозрачный образец излучает при определенной длине волны последовательно в двух различных температурных режимах. Если образец не перпендикулярен к оптической оси, то в случае зеркального отражателя:

Большинство материалов приближенно подчиняется закону косинусов Ламберта при углах (считая от нормали), но могут быть значительные отклонения от этого закона при.

Таким образом, при различных температурах имеем:

Если принять, что излучательная способность тела не зависит от его Как видно из формулы (2.14), нежелательный член от фоновой составляющей исключается из рассмотрения, а все члены, входящие в числитель и знаменатель, могут быть измерены или вычислены.

Самое большое искажение за счет отраженных составляющих вносит сам измерительный прибор. Его температура, как правило, на 2 – 3 градуса выше, чем температура окружающей среды за счет нагрева электронной схемы. Без исключения фона измерения низкотемпературных характеристик излучения нецелесообразны.

Сигналы измерительного прибора аналогично (2.12) – (2.13) могут быть записаны следующим образом:

где аппаратурный фактор, общий для всех составляющих;

интенсивность входной части прибора при температуре.

Из системы уравнений (2.15) – (2.18) получим:

Для знаменателя формулы (2.19) может быть заранее составлена градуировочная таблица при. Если измерительный прибор линеен относительно F, то для калибровки можно пользоваться температурами, отличными от температуры образца.

Пусть рабочие температуры образца, а эталона –. Тогда, откуда В формуле (2.25) первое отношение может быть предварительно рассчитано по результатам измерений эталонных образцов, в частности в лабораторных условиях. Очевидно, что перепады температур должны лежать в пределах выполнения условия, что в применении к полевым условиям может составлять 10 – 15 оС.

Таким образом, применяя эталонный образец для измерения инфракрасного потока от образца (почвы) для двух пар различных температур, можно минимизировать влияние на излучательную способность почвы фоновых составляющих инфракрасного излучения. Однако в полевых условиях определение эталонного образца может вызвать затруднение, так как само его понятие не определено. В этом случае необходимо будет за эталонный образец принимать некоторый условный образец почвы, в наибольшей степени отвечающий конкретному полю, имеющему индивидуальные характеристики по типу почвы, структуре, наличию растительности и т.д. Характеристики этого совершенствоваться.

Излучательная способность почвы в зависимости от ее влажности Представим модель формирования лучистого потока почвы в виде схемы, изображенной на рисунке 2.8. Источник излучения – почва, состоит из твердой и жидкой фазы соответственно с излучательной способностью и. Обе фазы будем считать стационарными и независимыми друг от друга, действующими параллельно. Эти фазы формируют потоки излучения – излучение жидкой фазы, прошедшей через газовую фазу и – излучение твердой фазы, также прошедшей через газовую фазу. Газовая фаза с оптической толщиной и излучательной способностью состоит из углекислотной и водяной (паровой) компонент. Углекислотная компонента постоянна и примем, что она не будет влиять на прохождение излучений. Паровая компонента, напрямую зависит от равновесного состояния на границе раздела фаз: почва (твердая + жидкая) – газообразная. Поэтому следует предположить, что она может влиять на прохождение через нее излучения из твердой и жидкой фаз. Для упрощения рассуждений примем, что излучение от фона и прибора отражаются только от газовой фазы и только один раз, не проходя через нее и не отражаются от – излучение направляемое в прибор, излучение газовой фазы, Вт; – излучение жидкой фазы, прошедшей через газовую фазу.

Вт; – излучение твердой фазы, прошедшей через газовую фазу, Вт; – отраженное от газового слоя излучение фона, Вт; – отраженное от газового слоя излучение прибора, Вт; П – приемник излучения; Ф – источник фонового излучения; излучательная способность фазы: – твердой; – жидкой;

– газообразной; – излучение источника (почва), Вт; – излучение фона, Вт способность почвы с приповерхностным приведет к искажению результатов нашего теоретического анализа. Однако это упростит конечные математические выражения без потери их смысла.

Излучение, направляемое в прибор П, состоит из нескольких составляющих (стрелки вверх):

Излучение фона, отраженное от газовой фазы, газового слоя, отражается в сторону прибора и зависит от коэффициента отражения этого слоя:

где – коэффициент отражения газовой фазы.

Излучение прибора, отраженное от газовой фазы, отражается в сторону прибора и зависит от коэффициента отражения этого слоя:

Можно предположить, что составляющие от фона и прибора в момент измерения изменяться не будут, однако могут изменяться для других моментов времени (изменяется температура и элементы фона).

Излучение источника, как это показано на рисунке 2.8 будет равно сумме излучений от газовой фазы и почвы:

Учитывая, что в излучении газовой фазы имеется составляющая влагосодержания почвы, то это излучение может быть ее важной составляющей.

Примем, что излучение образца (почвы) является суммой излучений твердой фазы (почва без жидкости) и жидкой фазы:

где – поток излучения от твердой фазы, прошедший через газовую фазу, Вт;

–поток излучения от жидкой фазы, прошедший через газовую фазу, Вт.

Каждая из составляющих выражения (2.30) помимо характеристик самой почвы зависит от газовой фазы. В практике анализа влажности почв используют коэффициенты (влагосодержания, влажности):

где – массы фаз, соответственно твердой и жидкой.

пропорциональна массам фаз, их породившим:

где – коэффициенты учитывающие эффективность перехода от массы к излучению, соответственно твердой и жидкой фаз.

С учетом выражений (2.30) и (2.31), выражение поглощения излучения в газовой фазе (2.32) преобразовывается к виду:

где – соответственно излучательная способность и поглощение газовой фазы, зависящие от влажности почвы.

Таким образом излучение образца является некоторой функцией (с учетом приближений о линейности (2.32) от характеристик почвы: ее массы, коэффициентов для твердой и жидкой фаз, а также влажности почвы С учетом допущений, принятых в предыдущих разделах данной главы об использовании эталонного образца и меньшей зашумленности отношений сигналов образца и эталона, рассмотрим это отношение применительно к образцу – почве, излучение которого прошло через газовую составляющую, как это показано на рисунке 2.8.

Определим величину излучения эталона, в качестве которого возьмем жидкую фазу (отдельно выделенную, без твердой фазы, водяная пленка), излучение которого, согласно (2.7), приближенно можно принять равным излучению абсолютно черного тела при той же температуре [125]:

при этом принято для эталона – жидкости (воды).

Разделим выражение (2.33) на выражение (2.34) и получим относительное излучение образца, аналогичное (2.9), которое можно трактовать, как эквивалентную излучательную способность почвы, обусловленную излучением ее твердой и жидкой фазами:

Выражение (2.35) определяет связь между влажностью почвы и ее излучательной способностью. Это, достаточно, приближенная модель, но она дает некоторое представление о влиянии влажности на излучение почвы. На рисунке 2.9 приведены смоделированные зависимости эквивалентной излучательной способности в зависимости от влагосодержания почвы для двух значений аппаратурного коэффициента k.

Изменение эквивалентной излучательной способности от влажности образца (почвы) носит линейный характер – увеличение влажности приводит к увеличению излучательной способности. Однако чувствительность излучательной способности к влажности сильно зависит от аппаратурного Рисунок 2.9 – Зависимости эквивалентной излучательной способности от влажности образца получим зависимость величины На рисунке 2.10 приведены смоделированные значения излучения почвы излучательной способности почвы и излучательной способности воды. Приведенная модель излучения линейна – увеличение влажности приводит к увеличению потока излучения. Чувствительность излучения к влажности для разных температур почвы постоянна, однако имеется нелинейная зависимость от температуры почвы, рисунок 2.11.

Снижение температуры фона приведет к сдвигу излучения в положительную область.

Таким образом, излучаемый сигнал зависит от многих переменных составляющих:

температуры окружающей среды конструктивных параметров измерительной системы k.

Т.е. зависимость влажности от излучательной способности имеет многофакторный характер:

Выделение на фоне этих переменных составляющей влажности является не тривиальной задачей, в основу решения которой могут быть положены:

измерение которых осуществляется одновременно с измерением от образца и окружающей среды с последующим нахождением отношений этих сигналов и сравнения их с заданными;

базы эталонных излучений (их сигналов) и окружающей среды для последующего сравнения с измеряемым образцом;

обучающие методы обработки информации об излучении образца почвы и базы эталонных излучений, основанных в частности на нейронных сетях.

Рассмотренные выше уравнения, описывающие частные модели составляющих общего излучения почвы, дают основание предложить факторную модель влажности почвы, основанную на факторах, от которых зависит ее ИК излучение. В первом приближении представим подобную модель в линейном виде:

где – общий поток излучения, попадающий в прибор, Вт; – поток излучения от почвы (без жидкой фазы), Вт; – поток излучения от жидкой фазы в источнике, Вт; – поток излучения от фона, Вт; – поток излучения от других неучитываемых или неизвестных факторов, Вт.

В результате преобразований в оптической и электронной системе прибора уравнение (2.38) примет вид:

где – электронный сигнал на выходе прибора; – составляющая сигнала от источника без жидкой фазы; – составляющая сигнала жидкой фазы почвы и газовой фазы (влаги) воздуха; – составляющая сигнала от фона; – составляющая сигнала от других, неучитываемых или неизвестных факторов.

В качестве факторов, составляющих модели (2.39) могут выступать факторы, наиболее легко доступные в измерениях в поле: Tп – температура почвы;

Tв – температура воздуха; Wв – относительная влажность воздуха. Тогда модель (2.39) можно трансформировать в факторную модель:

где – выход факторной модели влажности почвы; – температура почвы; – влажность почвы; – влажность воздуха; – температура воздуха; – сигнал линейной модели, соответственно для температуры почвы, влажности почвы, влажности воздуха и температуры воздуха.

В окончательном виде факторная модель влажности почвы имеет вид:

где В данной модели на величину сигнала прибора могут влиять факторы фона:

Температура воздуха Tv., в поле должна контролироваться для е возможного использования при компенсации влияния на результаты измерения влажности.

контролироваться для ее возможного использования при компенсации влияния на результаты измерения влажности.

Температура почвы Tpv, в поле необходимо контролировать для ее возможного использования при компенсации влияния на результаты измерения влажности.

Кроме того элементами фона могут быть: тип почвы S, структура почвы П, наличие растительности Rс и другие факторы, которые не изменяются по координатам поля и являются постоянными в пределах данного поля на заданное время. Варьировать эти факторы целенаправленно в поле невозможно, поэтому необходимо создавать базу данных, где от поля к полю будут использоваться результаты мониторинга влажности. Это позволит в процессе накопления экспериментальных данных все более точно определять коэффициенты модели (2.41).

Предположено в качестве гипотезы, что излучательная способность почвы зависит от излучательной способности ее твердой фазы и излучательной способности ее жидкой и газовой фаз. Оценка влажности почвы может быть осуществлена по величине соотношения величины излучательной способности почвы к величине эталонного образца почвы с известной влажностью независимо от температуры.

На основании закона Стефана-Больцмана сделан вывод о том, что собственное излучение почвы зависит от температуры почвы и температуры элементов окружающего е фона. Излучающая способность почвы линейно зависит от количества находящейся в ней влаги, при этом прямое выделение в указанном диапазоне 5,5 – 14 мкм сигнала от влажности с одновременно поступающими сигналами от самой почвы и окружающей е фона невозможно.

Выделение сигнала собственного излучения почвы от сигналов фона возможно путм последовательного или параллельного измерения излучения от почвы и е эталонного образца при их различных температурах. Однако создание условий для изменения температуры почвы в полевых условиях невозможно.

включающая в себя: температуру почвы; влажность воздуха; температуру воздуха.

предлагается создать информационную базу данных излучений почвы для различных условий (температура, влажность, растительность и т.д.), которая могла бы быть использована для корректировки сигнала от излучения почвы в зависимости от фона.

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА И ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ВЗАИМОСВЯЗИ

ИЗЛУЧЕНИЯ ПОЧВЫ И ЕЁ ВЛАЖНОСТИ

Программа экспериментальных исследований В программу экспериментального исследования входит:

исследованию взаимосвязи излучения почвы и е влажности;

создание устройства для регистрации излучения почвы в диапазоне создание лабораторного стенда для исследования излучений почв;

исследование инфракрасного излучения почвы различной влажности в лабораторных условиях;

разработка и изготовление прибора («ИКВП – 01») для регистрации излучения почвы;

исследование прибора «ИКВП-01» для определения влажности почвы в лабораторных и полевых условиях;

исследование инфракрасного излучения почвы в поле и саду;

разработка алгоритма обработки сигналов прибора «ИКВП – 01» для оценки влажности почвы на базе нейронной сети;

анализ результатов экспериментального исследования.

Программой предусматривается проведение лабораторных и полевых экспериментальных исследований.

Лабораторное исследование. Предусматривает изучение взаимосвязи излучения почвы и ее влажности на специально созданных образцах почвы с различной влажностью. Влажность образцов почвы изменялась на определенную величину путем добавления воды, после чего измерялись теплофизические параметры почвы и величина излучения. Лабораторный эксперимент осуществлялся при температуре воздуха 20 – 22 С. Процесс проведения отображен на рисунке 3.1.

отобранные мкости с почвой различной общий лабораторный стенд № контроль влажности почвы электрическим лабораторный стенд №2 для исследования Рисунок 3.1 – Проведение лабораторного эксперимента Полевые экспериментальные исследования. Осуществлялись в мае – июле 2011 – 2012гг. в поле и саду на естественном фоне.

При проведении лабораторных исследований применялся классический план: влажность почвы целенаправленно изменялась на определенную величину с параллельным измерением теплофизических характеристик почвы и излучения.

В полевых условиях целенаправленного изменения влажности не производилось, фиксировалась та влажность почвы, которая была в исследуемой точке поля.

Планирование эксперимента.

Особенностью планирования эксперимента в данной работе является то, что фиксация параметров, таких как температура и влажность почвы, температура и влажность окружающего воздуха невозможна, так как последние зависят друг от друга. Поэтому классическое планирование эксперимента в данной работе не использовалось.

Планирование лабораторного эксперимента заключалось в создании таких условий для его проведения, когда через определенный шаг меняется влажность почвы. Остальные параметры (температура почвы, температура и влажность воздуха) устанавливаются, как результат теплофизического равновесия между почвой и воздухом.

Планирование полевого эксперимента заключалось в выборе участков поля с различной влажностью почвы. Остальные параметры соответствовали этой влажности.

В результате планирования создавались условия для составления системы алгебраических уравнений, в основе которых лежит факторная модель влажности почвы (2.41):

где – наблюдаемый (измеряемый) сигнал прибора;,, наблюдаемые (измеряемые) температура почвы, температура воздуха и влажность воздуха; i = 1, 2 …N – реализации эксперимента с различным сочетанием величин факторов и повторностей.

3.1.1 Характеристики приборов для измерения физических параметров почвы и окружающего воздуха Влагомер-термометр почвы TR – 46908 предназначен для измерения влажности и температуры почвы, рисунок 3.2 [96].

Прибор оснащен двумя зондами: один для измерения влажности почвы, другой для измерения температуры почвы.

Технические характеристики влагомера-термометра TR – 46908 приведены в таблице 3.1.

Рисунок 3.2 – Влагомер-термометр TR Термоанемометр ТКА – ПКМ (52) – предназначен для измерения скорости, температуры и влажности воздуха, рисунок 3.2 [108]. Основные технические характеристики термоанемометра ТКА – ПКМ (52) приведены в таблице 3.2.

Таблица 3.2 – Технические характеристики термоанемометра Диапазон измерения влажности Точность измерения Диапазон измерения температуры Точность измерения Прибор имеет измерительный зонд и интерфейс связи с компьютером по протоколу RS-232.

3.1.2 Конструкция и технические характеристики инфракрасного влагомера почвы «ИКВП-01»

Для измерения излучения инфракрасной температуры почвы различной влажности был разработан прибор – инфракрасный влагомер почвы («ИКВП-01») на базе пироэлектрического датчика MLX, рисунок 3.4 [82, 104]. Более детально основная конструкция и элементы прибора «ИКВП-01» представлены на рисунке 3.5. Технические характеристики устройства приведены в таблице 3.3.

микроконтроллером; 3 – корпус микроконтроллера с платой AT90USBKey; 4 – программное обеспечение 5 – входное окно пироэлектрического датчика MLX, 6 – окно лазерного указателя органы управления инфракрасного влагомера почвы («ИКВП-01») Назначение прибора – бесконтактное определение влажности почвы.

Требования, предъявленные при разработке прибора:

возможность экспресс-анализа, проведения массовых измерений в возможность накопления и передачи данных в базу на ЭВМ по различным участкам сада, поля, времени измерения.

1 – задняя крышка; 2 – разъем для подключения; 3 – корпус влагомера; 4 – печатная плата; 5 – лазерный указатель; 6 – пироэлектрический датчик MLX90614ESF; 7 – объектив (линза Рисунок 3.5 – Основные конструктивные элементы ИК приемника дюралеалюминия, внутри которого на односторонней печатной плате 4, имеющей инфракрасного датчика MLX 6 и оптического лазера 5. Лазер используется для определения центра участка, с которого проводят измерения.

Таблица 3.3 – Технические характеристики инфракрасного влагомера почвы «ИКВП – 01»

Диапазон температур измеряемого объекта Температура окружающей среды при измерении Погрешность измерения Объектив – линза Френеля 7 применяется для увеличения пространственной зоны чувствительности датчика. Прибор при измерениях рассчитан на номинальное расстояние от объектива до объекта – 800 мм, при этом диаметр пятна, с которого собирается излучение примерно равно 100 мм, рисунок 3.6.

Линза Френеля направляет измерения с почвы на датчик Д1 (центральный элемент MLX), а корпус датчика улавливает измерение фона.

Рисунок 3.6 – Пространственный угол обзора линзы Френеля 3.1.3 Схема инфракрасного влагомера почвы «ИКВП-01» и ее работа Блок-схема влагомера приведена на рисунке 3.7. Она состоит из пироэлектрического датчика Д1, пироэлектрического датчика Д2, схемы обработки сигналов пироэлектрических датчиков, компьютера, программного обеспечения и базы данных.

Излучение почвы FП поступает на пироэлектрический датчик Д1 и преобразуется в электрический сигнал, который поступает в «Схему обработки сигналов пироэлектрических датчиков». Излучение фона FФ поступает на пироэлектрический датчик Д2 и преобразуется в электрический сигнал, который так же поступает в «Схему обработки сигналов пироэлектрических датчиков».

Датчики Д1 и Д2 – пироэлектрические, описаны в главе 1, рисунок 1.17.

Со «Схемы обработки сигналов пироэлектрических датчиков» сигналы поступают на «Компьютер», в котором они подвергаются дополнительной обработке с целью выделения составляющей влажности – удаления шумов от излучений почвы и фона. Дополнительная обработка осуществляется с помощью специального «Программного обеспечения», разработанного нами и которое будет описано ниже. С «Компьютера» полученная информация накапливается в «Базе данных».

Принципиальная электрическая схема инфракрасного прибора для измерения влажности представлена на рисунке 3.8. В основе схемы – 8-ми битный микроконтроллер (МК) RISK МК, снабжнный аппаратным USB модулем типа Host/Device, 128 кБ ПЗУ, 8 кБ ОЗУ, двумя 16-и битными таймерами и производительностью до 16 MIPS при тактовой частоте 16 МГц.

Назначение схемы – преобразование инфракрасного излучения в цифровой код и подача его в компьютер. Излучение преобразуется пироэлектрическим преобразователем инфракрасного излучения в электрические сигналы MLX, имеющим два датчика Д1 и Д2, рисунок 3.7. Датчик Д1 принимает излучение почвы FП, а датчик Д2 принимает излучение фона FФ.

Рисунок 3.8 – Электрическая принципиальная схема «ИКВП-01» [123] Обработка сигналов датчиков производится на стандартной управляющей плате ATMEL DD1 AT90USBKey [100], включающей в себя микроконтроллер.

Установка управляющей платы DD1 AT90USBKey в корпусе показана на рисунке 3.9.

1 – корпус микроконтроллера; 2 – разъем USB для питания и передачи данных в компьютер; 3 – разъем RS232 для соединения с микроконтроллером; 4 – индикатор работы прибора; 5 – индикатор работы лазерного указателя; 6 – клавиша включения лазерного указателя; 7 – плата Рисунок 3.9 – Корпус с установленной управляющей платой Микроконтроллер содержит бутлодер – программу, которая позволяет программировать его без использования программатора, прямо через USB порт.

На сопротивлении R10 и емкости C3 собрана цепь сброса МК. Кнопка SB позволяет принудительно перезагружать МК. Резисторы R3, R15, R16 являются подтяжками соответствующих им линий. Управляющая плата DD1 AT90USBKey питается напряжением через разъем XS1. Кнопка SB2 (HWB) запускает режим калибровки, а так же активизирует бутлодер, переводя микроконтроллер в режим программирования.

Разъм XS2 используется как универсальный разъм ввода/вывода, т.к.

выведенные на него выводы микроконтроллера могут быть как цифровыми входами/выходами, так и аналоговыми входами внутреннего АЦП [83, 123].

Для включения и выключения чтения данных с пироэлектрических датчиков используется DIP переключатель SA1. Переключатель SA2 используется для включения и выключения лазерного указателя.

Для индикации режимов используются два светодиода HL1 – HL2 с токоограничительными резисторами R11 – R12.

Микроконтроллер тактируется от кварцевого генератора, собранного на элементах ZQ1C5C6.

Так же плата DD1 AT90USBKey содержит функцию записи данных. Запись данных производится в микросхему флеш-памяти DD2 объмом 8 мегабайт. Для питания DD2 необходимо напряжение, которое формируется из напряжения питания МК LDO стабилизатором DA1. В силу конструктивных особенностей DD1 может соединяться с микросхемами, питаемыми напряжением, напрямую, без преобразователей уровня [123, 82].

3.1.4 Стенд для измерения инфракрасных характеристик почвы Для измерения инфракрасных характеристик почвы, в зависимости от е влажности в диапазоне 5,5 – 14 мкм был собран экспериментальный стенд. Его общий вид и элементы представлены на рисунке 3.10 [84, 83].

1 – исследуемая почва; 2 – инфракрасный влагомер почвы («ИКВП-01»); 4 – схема обработки ИКсигнала DD1 AT90USBKey; 5 – обеспечение; 7 – термоанемоментрТКА ПКМ (52) Рисунок 3.10 – Стенд для измерения инфракрасного излучения почвы Назначение стенда – измерение излучения почвы в лабораторных условиях.

Исследуемый образец почвы 1, помещается в изолирующую от внешнего излучения измерительную камеру 2. Сигнал с влагомера 3, направленного на образец, через схему обработки ИК-сигнала DD1 AT90USBKey 4, поступает на компьютер 5, где с помощью программного обеспечения 6 происходит сохранение и отображение информации.

Методика экспериментальных исследований 3.2.1 Подготовка почвы для лабораторных исследований Для исследований использовалась подготовленная почва с различной структурой и влажностью, ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Тип почвы – типичный чернозм, наиболее распространенный в Тамбовской области [132]. Структура почвы состоит из отдельных гранул 3 – 10 мм, рисунок 3.11а).

Образцы почвы объемом 500 см3 помещались в 30 емкостей, размером 150х100х30мм, рисунок 3.11б).

а) структура и тип почвы; б) емкость с исследуемой почвой Ёмкости были разделены на три группы по числу повторностей эксперимента – по десять штук в каждой. Каждой ячейке присвоили свой индивидуальный номер. Для получения различной влажности в каждую ячейку добавляли определенное количество воды.

Влажность почвы рассчитывалась по формуле:

где – масса добавленной воды; – масса сухой почвы.

Для подготовки сухой почвы, она высушивалась в термошкафу при температуре 95 оС [21]. В емкостях создавалась влажность:0%, 2%, 5%, 7%, 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%. Температура добавляемой воды соответствовала температуре окружающего воздуха. Ёмкости с нулевой влажностью – контрольные. После добавления воды, мкости накрываются полиэтиленовой крышкой и выдерживаются три часа. Это необходимо для равномерного распределения влаги по всему объему почвы.

3.2.2 Методика определения влажности почвы Определение влажности почвы методом высушивания до постоянной массы согласно ГОСТ 28268 – 89 заключается в определении потери влаги при высушивании почвы. Отбор, упаковка, транспортирование и хранение почвенных проб проводят согласно ГОСТ 17.4.3.01, ГОСТ 17.4.4.02, ГОСТ 12071 [17, 18, 19].

Массовое отношение влаги в почве в процентах % вычисляется по формуле:

высушенной почвы со стаканчиком и крышкой, г; масса пустого стаканчика с крышкой, г.

3.2.3 Методика проведения измерений инфракрасного излучения почвы пироэлектрическим датчиком MLX Целью проведения данного эксперимента является – оценка возможности измерения влажности почвы по величине сигнала пироэлектрического датчика.

представленного на рисунке 3.12.

чувствительным элементом входного зрачка датчика 4 и – излучение фона, воспринимаемого корпусом датчика 5.

Информация о состоянии почвы содержится в интегральном потоке излучения, воспринимаемым пироэлектрическим датчиком как единый сигнал. В отличие от тепловизора, пироэлектрический датчик имеет возможность измерять два потока излучений: 1 – направленный от источника излучения (почвы), ;

На рисунке 3.13 представлено окно программы, отображающее сигнал потоков.