Устройство для непрерывного определения твердости почвы

Изобретение относится к техническим средствам измерений физико-механических свойств почвы, преимущественно для непрерывной регистрации твердости слоя почвы при основной обработке неоднородных почв, культивации и внесении удобрений и/или мелиорантов почвообрабатывающими агрегатами, моторно-транспортное средство которых содержит двигатель внутреннего сгорания. Устройство содержит последовательно соединенные датчики и функциональные преобразователи давлений наддува, на входе турбокомпрессора и его разрежения, аналого-цифровой преобразователь, определитель твердости почвы, задатчики коэффициента связи, коэффициентов влажности и твердости почвы, индикаторы твердости, влажности почвы и твердости почвы с учетом влажности, датчики угловой скорости коленчатого вала и ротора турбокомпрессора, тахометр, формирователь и счетчик угловых меток цилиндра, функциональные преобразователи угловой скорости коленчатого вала и ротора, числа импульсов в напряжение, дифференциатор, датчик и формирователь импульсов ВМТ, аналоговый ключ ВМТ, задатчик угловых меток цикла, нуль-орган, перестраиваемый резонансный фильтр, формирователь строба, аналоговый ключ цилиндров, задатчик номеров угловых меток цилиндров, первые и вторые измерители средневыпрямленного, максимального и среднеквадратического значений, с первого по четвертый переключатели, двойной дифференциатор, измеритель тока и напряжения генератора, последовательно соединенные приемник теплового излучения почвы, состоящий из линейки пироэлектрических инфракрасных датчиков, функциональные преобразователи, сумматор-усреднитель, цифровой вольтметр и определитель влажности почвы, определитель твердости почвы с учетом влажности. Достигается повышение точности определения твердости любых неоднородных почв с учетом их влажности для почвообрабатывающих агрегатов. 1 ил.

 

Изобретение относится к техническим средствам измерений физико-механических свойств почвы, преимущественно для непрерывной регистрации твердости слоя почвы при основной обработке неоднородных почв, культивации и внесении удобрений и/или мелиорантов почвообрабатывающими агрегатами, моторно-транспортное средство которых содержит двигатель внутреннего сгорания.

Известно устройство для непрерывного определения твердости почвы почвообрабатывающими агрегатами, моторно-транспортное средство которых содержит двигатель, форсированный газотурбонаддувом (Патент RU 2298778, МПК G01N 3/42; G01N 33/24, опубл. 10.05.07. Бюл. №13). Оно содержит тензозвено, последовательно соединенные датчик давления наддува, функциональный преобразователь и аналого-цифровой преобразователь, определитель твердости почвы, задатчик коэффициента связи, индикатор, датчик частоты вращения коленчатого вала и тахометр, причем выход аналого-цифрового преобразователя соединен с первым входом определителя твердости почвы, выход которого соединен с индикатором, а второй вход - с задатчиком коэффициента связи, а датчик частоты вращения коленчатого вала подключен к тахометру.

Недостатком известного устройства является невозможность непрерывного определения твердости почвы при основной обработке солонцово-черноземных и подобных комплексов почвы находящимися в эксплуатации почвообрабатывающими агрегатами, моторно-транспортное средство которых содержит двигатель внутреннего сгорания, не имеющий форсированного газотурбонаддува. Кроме того, при прохождении легких почв почвообрабатывающими агрегатами, моторно-транспортное средство которых содержит двигатель, форсированный газотурбонаддувом, возрастает погрешность определения твердости почвы, так как при этом чувствительность давления наддува к изменению тягового сопротивления снижается.

Известно устройство для непрерывного определения твердости почвы почвообрабатывающими агрегатами, моторно-транспортное средство которых содержит двигатель, форсированный газотурбонаддувом (Патент RU 2535102, МПК G01N 33/24, опубл. 10.12.2014. Бюл. №34), являющееся прототипом заявляемого технического решения. Оно содержит тензозвено, последовательно соединенные датчик давления наддува и функциональный преобразователь давления наддува, аналого-цифровой преобразователь, определитель твердости почвы, задатчик коэффициента связи, индикатор, датчик частоты вращения коленчатого вала и тахометр, формирователь угловых меток, функциональный преобразователь угловой скорости, дифференциатор, датчик верхней мертвой точки, формирователь импульсов ВМТ, счетчик угловых меток, аналоговый ключ ВМТ, задатчик угловых меток цикла, нуль-орган, функциональный преобразователь числа импульсов в напряжение, формирователь угловых меток цилиндра, перестраиваемый резонансный фильтр, формирователь строба, аналоговый ключ цилиндров, задатчик номеров угловых меток цилиндров, первые и вторые измерители средневыпрямленного, максимального и среднеквадратического значений, с первого по третий переключатели, последовательно соединенные датчик давления на входе турбокомпрессора и функциональный преобразователь давления на входе турбокомпрессора, последовательно соединенные датчик давления разрежения турбокомпрессора и функциональный преобразователь давления разрежения, последовательно соединенные датчик угловой скорости ротора турбокомпрессора, функциональный преобразователь угловой скорости ротора и двойной дифференциатор, измеритель тока и напряжения генератора, причем датчик давления наддува соединен с функциональным преобразователем давления наддува, выход аналого-цифрового преобразователя соединен с первым входом определителя твердости почвы, выход которого соединен с индикатором, а второй вход - с задатчиком коэффициента связи, причем датчик частоты вращения коленчатого вала через формирователь угловых меток соединен с функциональным преобразователем угловой скорости, выход которого соединен с дифференциатором, датчик верхней мертвой точки через формирователь импульсов ВМТ соединен с управляющими первым входом счетчика угловых меток и входом аналогового ключа ВМТ, второй счетный вход счетчика угловых меток связан с выходом формирователя угловых меток, третий управляющий вход - с задатчиком угловых меток цикла, четвертый управляющий вход через третий переключатель - с выходом нуль-органа, выход счетчика угловых меток соединен с входом функционального преобразователя числа импульсов в напряжение и первым сигнальным входом формирователя угловых меток цилиндра, выход функционального преобразователя числа импульсов в напряжение соединен с тахометром и первым управляющим входом перестраиваемого резонансного фильтра, а выход формирователя угловых меток цилиндра через формирователь строба соединен с первым управляющим входом аналогового ключа цилиндров, второй управляющий вход формирователя угловых меток цилиндров соединен с задатчиком номеров угловых меток цилиндров, причем выход дифференциатора соединен с входами аналогового ключа ВМТ, нуль-органа и аналогового ключа цилиндров, выход перестраиваемого резонансного фильтра соединен с входами первых измерителей средневыпрямленного, максимального и среднеквадратического значений, а выход аналогового ключа цилиндров - с входами вторых измерителей средневыпрямленного, максимального и среднеквадратического значений, выход первого переключателя соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, а выход второго переключателя - с вторым сигнальным входом перестраиваемого резонансного фильтра, выход дифференциатора соединен с вторым переключателем в первом положении, выходы функциональных преобразователей давлений наддува, на входе турбокомпрессора и разрежения, двойного дифференциатора соединены с первым и вторым переключателями с второго по пятое положениями соответственно, выходы аналогового ключа ВМТ, функционального преобразователя числа импульсов в напряжение, первых и вторых измерителей средневыпрямленного, максимального и среднеквадратического значений, измерителя тока и напряжения генератора соединены с первым переключателем с шестого по тринадцатое положениями соответственно.

Недостатком известного устройства является невозможность непрерывного определения твердости почвы с учетом ее влажности при основной обработке солонцово-черноземных и подобных комплексов почвы находящимися в эксплуатации почвообрабатывающими агрегатами, моторно-транспортное средство которых содержит двигатель внутреннего сгорания.

Задача заявляемого технического решения - повышение универсальности и точности непрерывного определения твердости слоя неоднородных почв с любой степенью неоднородности с учетом их влажности почвообрабатывающими агрегатами, находящимися в эксплуатации, моторно-транспортное средство которых содержит двигатель внутреннего сгорания, в том числе содержащими двигатель, форсированный газотурбонаддувом.

Задача решается тем, что в устройство для непрерывного определения твердости почвы, содержащем тензозвено, последовательно соединенные датчик давления наддува и функциональный преобразователь, аналого-цифровой преобразователь, определитель твердости почвы, задатчик коэффициента связи, индикатор, датчик частоты вращения коленчатого вала и тахометр, формирователь угловых меток, функциональный преобразователь угловой скорости, дифференциатор, датчик верхней мертвой точки, формирователь импульсов ВМТ, счетчик угловых меток, аналоговый ключ ВМТ, задатчик угловых меток цикла, нуль-орган, функциональный преобразователь числа импульсов в напряжение, формирователь угловых меток цилиндра, перестраиваемый резонансный фильтр, формирователь строба, аналоговый ключ цилиндров, задатчик номеров угловых меток цилиндров, первые и вторые измерители средневыпрямленного, максимального и среднеквадратического значений, с первого по третий переключатели, последовательно соединенные датчик давления на входе турбокомпрессора и функциональный преобразователь давления на входе турбокомпрессора, последовательно соединенные датчик давления разрежения турбокомпрессора и функциональный преобразователь давления разрежения, последовательно соединенные датчик угловой скорости ротора турбокомпрессора, функциональный преобразователь угловой скорости ротора и двойной дифференциатор, измеритель тока и напряжения генератора, дополнительно введены приемник теплового излучения почвы, состоящий из линейки пироэлектрических инфракрасных датчиков, функциональные преобразователи сигналов пироэлектрических датчиков, сумматор-усреднитель, цифровой вольтметр, определитель влажности почвы, определитель твердости почвы с учетом влажности, индикаторы влажности почвы и твердости почвы с учетом влажности, задатчик коэффициентов влажности и твердости почвы, четвертый переключатель.

Причем датчик давления наддува соединен с функциональным преобразователем давления наддува, выход аналого-цифрового преобразователя соединен с первым входом определителя твердости почвы, выход которого соединен с индикатором, а второй вход - с задатчиком коэффициента связи. Датчик частоты вращения коленчатого вала через формирователь угловых меток соединен с функциональным преобразователем угловой скорости, выход которого соединен с дифференциатором. Датчик верхней мертвой точки через формирователь импульсов соединен с управляющими первым входом счетчика угловых меток и входом аналогового ключа ВМТ. Второй счетный вход счетчика угловых меток связан с выходом формирователя угловых меток, третий управляющий вход - с задатчиком угловых меток цикла, четвертый управляющий вход через третий переключатель - с выходом нуль-органа. Выход счетчика угловых меток соединен с входом функционального преобразователя числа импульсов в напряжение и первым сигнальным входом формирователя угловых меток цилиндра. Выход функционального преобразователя числа импульсов в напряжение соединен с тахометром и первым управляющим входом перестраиваемого резонансного фильтра, а выход формирователя угловых меток цилиндра через формирователь строба соединен с первым управляющим входом аналогового ключа цилиндров. Второй управляющий вход формирователя угловых меток цилиндров соединен с задатчиком номеров угловых меток цилиндров. Выход дифференциатора соединен с входами аналогового ключа ВМТ, нуль-органа и аналогового ключа цилиндров. Выход перестраиваемого резонансного фильтра соединен с входами первых измерителей средневыпрямленного, максимального и среднеквадратического значений, а выход аналогового ключа цилиндров - с входами вторых измерителей средневыпрямленного, максимального и среднеквадратического значений. Выход первого переключателя соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, а выход второго переключателя - с вторым сигнальным входом перестраиваемого резонансного фильтра. Выход дифференциатора соединен с вторым переключателем в первом положении, выходы функциональных преобразователей давлений наддува, на входе турбокомпрессора и разрежения, двойного дифференциатора соединены с первым и вторым переключателями с второго по пятое положениями соответственно. Выходы аналогового ключа ВМТ, функционального преобразователя числа импульсов в напряжение, первых и вторых измерителей средневыпрямленного, максимального и среднеквадратического значений, измерителя тока и напряжения генератора соединены с первым переключателем с шестого по тринадцатое положениями соответственно. Каждый из пироэлектрических инфракрасных датчиков приемника теплового излучения почвы соединен с соответствующими функциональными преобразователями сигналов датчиков, выходы которых соединены с входами сумматора-усреднителя, выход которого через цифровой вольтметр соединен с первым входом определителя влажности почвы, выход которого соединен с индикатором влажности почвы и первым входом определителя твердости почвы с учетом влажности, второй вход которого связан с выходом определителя твердости, а выход - с индикатором твердости почвы с учетом влажности, задатчик коэффициентов влажности и твердости почвы в первом положении четвертого переключателя соединен с вторым входом определителя влажности почвы, а во втором положении четвертого переключателя - с третьим входом определителя твердости почвы с учетом влажности.

Введение в указанной связи новых по сравнению с прототипом конструктивных блоков обеспечивает достижение нового технического результата - оперативное непрерывное определение твердости слоя почвы с учетом ее влажности почвообрабатывающими агрегатами, находящимися в эксплуатации, моторно-транспортное средство которых содержит двигатель. Получение оперативной достоверной информации о твердости слоя почвы с учетом ее влажности позволяет устранить неоднозначность в определении твердости почвы, обеспечить качественную обработку почвы, в особенности при основной обработке солонцово-черноземных и подобных комплексов почв, при которой требуется периодическая смена рабочих органов, а также локальное внесение мелиорантов и удобрений. Эта информация может быть использована также в системе автоматического управления рабочими процессами агрегата.

На чертеже изображено устройство, установленное в кабине моторно-транспортного средства. Устройство содержит: 1 - датчик давления наддува, 2 - функциональный преобразователь давления наддува, 3 - аналого-цифровой преобразователь, 4 - определитель твердости почвы, 5 - индикатор, 6 - задатчик коэффициента связи, 7 - датчик частоты вращения коленчатого вала, 8 - тахометр, 9 - формирователь угловых меток, 10 - функциональный преобразователь угловой скорости, 11 - дифференциатор, 12 - датчик верхней мертвой точки, 13 - формирователь импульсов ВМТ, 14 - счетчик угловых меток, 15 - аналоговый ключ ВМТ, 16 - задатчик угловых меток цикла, 17 - нуль-орган, 18 - функциональный преобразователь числа импульсов в напряжение, 19 - формирователь угловых меток цилиндра, 20 - перестраиваемый резонансный фильтр, 21 - формирователь строба, 22 - аналоговый ключ цилиндров, 23 - задатчик номеров угловых меток цилиндров, 24…26 и 27…29 - первые и вторые измерители средневыпрямленного, максимального и среднеквадратического значений, 30 и 31 - первый и второй переключатели, 32 - датчик давления на входе турбокомпрессора, 33 - функциональный преобразователь давления на входе турбокомпрессора, 34 - датчик давления разрежения турбокомпрессора, 35 - функциональный преобразователь давления разрежения, 36 - датчик угловой скорости ротора турбокомпрессора, 37 - функциональный преобразователь угловой скорости ротора, 38 - двойной дифференциатор, 39 - измеритель тока и напряжения генератора, 40 - третий переключатель, приемник теплового излучения почвы 41, состоящий из линейки пироэлектрических инфракрасных датчиков 42, функциональные преобразователи сигналов пироэлектрических датчиков 43, сумматор-усреднитель 44, цифровой вольтметр 45, определитель влажности почвы 46, определитель твердости почвы с учетом влажности 48, индикаторы влажности почвы 47 и твердости почвы с учетом влажности 49, задатчик коэффициентов влажности и твердости почвы 50, четвертый переключатель 51.

Причем датчик давления наддува 1 соединен с функциональным преобразователем 2, выход аналого-цифрового преобразователя 3 соединен с первым входом определителя твердости почвы 4, выход которого соединен с индикатором 5, а второй вход - с задатчиком коэффициента связи 6. Датчик частоты вращения коленчатого вала 7 через формирователь угловых меток 9 соединен с функциональным преобразователем 10 угловой скорости, выход которого соединен с дифференциатором 11. Датчик верхней мертвой точки 12 через формирователь импульсов ВМТ 13 соединен с управляющими первым входом счетчика угловых меток 14 и входом аналогового ключа ВМТ 15. Второй счетный вход счетчика угловых меток 14 связан с выходом формирователя угловых меток 9, третий управляющий вход - с задатчиком угловых меток цикла 16, четвертый управляющий вход через переключатель 40 - с выходом нуль-органа 17. Выход счетчика угловых меток 14 соединен с входом функционального преобразователя 18 числа импульсов в напряжение и первым сигнальным входом формирователя 19 угловых меток цилиндра. Выход функционального преобразователя числа импульсов в напряжение 18 соединен с тахометром 8 и первым управляющим входом перестраиваемого резонансного фильтра 20, а выход формирователя 19 угловых меток цилиндра через формирователь строба 21 соединен с первым входом аналогового ключа цилиндров 22. Второй вход формирователя 19 угловых меток цилиндра соединен с задатчиком 23 номеров угловых меток цилиндров. Выход дифференциатора 11 соединен с входами аналогового ключа ВМТ 15, нуль-органа 17 и аналогового ключа цилиндров 22. Выход перестраиваемого резонансного фильтра 20 соединен с входами первых измерителей средневыпрямленного 24, максимального 25 и среднеквадратического 26 значений, а выход аналогового ключа цилиндров 22 - с входами вторых измерителей средневыпрямленного 27, максимального 28 и среднеквадратического 29 значений. Выход первого переключателя 30 соединен с входом аналого-цифрового преобразователя 3, а выход второго переключателя 31 - с вторым сигнальным входом перестраиваемого резонансного фильтра 20. Выход дифференциатора 11 соединен с вторым переключателем 31 в первом положении, выходы функциональных преобразователей давлений наддува 2, на входе турбокомпрессора 33 и разрежения 35, двойного дифференциатора 38 соединены с первым 30 и вторым 31 переключателями с второго по пятое положениями соответственно. Выходы аналогового ключа ВМТ 15, функционального преобразователя 18 числа импульсов в напряжение, первых 24…26 и вторых 27…29 измерителей средневыпрямленного, максимального и среднеквадратического значений, измерителя 39 тока и напряжения генератора соединены с первым переключателем 30 с шестого по тринадцатое положениями соответственно. Каждый из пироэлектрических инфракрасных датчиков 42 приемника теплового излучения почвы 41 соединен с соответствующими функциональными преобразователями 43 сигналов датчиков, выходы которых соединены с входами сумматора-усреднителя 44, выход которого через цифровой вольтметр 45 соединен с первым входом определителя влажности почвы 46, выход которого соединен с индикатором влажности почвы 47 и первым входом определителя твердости почвы с учетом влажности 48, второй вход которого связан с выходом определителя твердости 4, а выход - с индикатором твердости почвы с учетом влажности 49. Задатчик коэффициентов влажности и твердости почвы 50 в первом положении четвертого переключателя 51 соединен с вторым входом определителя влажности почвы 46, а во втором положении четвертого переключателя 51 - с третьим входом определителя твердости почвы с учетом влажности 48.

Датчики давлений наддува 1, на входе турбокомпрессора 32 и разрежения 34 могут содержать пьезоэлектрические чувствительные (первичные) измерительные преобразователи. В качестве функциональных преобразователей давлений 2, 33, 35 и пироэлектрических инфракрасных датчиков 43 может быть применен типовой преобразователь заряда в напряжение. Аналого-цифровой преобразователь 3 выполнен по стандартной схеме. Определитель твердости почвы 4, определитель влажности почвы 46 и определитель твердости почвы с учетом влажности 48 являются спецвычислителями и построены на элементах микропроцессорной техники. Индикатор 5, индикатор влажности почвы 47 и индикатор твердости почвы с учетом влажности 49 - цифровые световые табло. Задатчики коэффициента связи 6 и коэффициентов влажности и твердости почвы 50 представляют собой клавиатуру с декадой цифр и клавишами управления. В качестве датчиков частоты вращения коленчатого вала 7 и ВМТ 12 могут быть использованы индукционные датчики, устанавливаемые напротив зубчатого венца маховика двигателя и отверстия в нем соответственно. Тахометр 8 обеспечивает измерение и визуальную индикацию частоты вращения коленчатого вала двигателя. Формирователь угловых меток 9 и формирователь импульсов ВМТ 13 содержат триггер Шмитта и ждущий мультивибратор, формирующие импульсы стандартизованной длительности и амплитуды. Функциональные преобразователи 10, 18 и 37 - типовые преобразователи последовательности импульсов в напряжение. Задатчик угловых меток цикла 16 - переключатель, коммутирующий число разрядов счетчика 14 (емкость счетчика), которое устанавливается в соответствии с удвоенным числом зубьев (угловых меток) на венце маховика двигателя. Формирователь 19 угловых меток цилиндра - счетчик импульсов. Задатчик 23 номеров угловых меток цилиндров - коммутатор (переключатель), задающий номера импульсов, соответствующих началу и концу работы цилиндров. Перестраиваемый резонансный фильтр 20 построен на активном полосовом фильтре (на операционном усилителе), резонансная частота которого изменяется за счет переключения конденсаторов и дополнительно подстраивается с помощью емкости варикапа, управляемого напряжением. Формирователь строба 21 - статический триггер, вырабатывающий импульс, длительность которого определяется начальными и конечными импульсами цилиндров. Первые 24…26 и вторые 27…29 измерители средневыпрямленного, максимального и среднеквадратического значений построены по типовым схемам вольтметров. Датчик 36 угловой скорости ротора турбокомпрессора - индукционный датчик, устанавливаемый напротив крыльчатки ротора. Измеритель тока и напряжения генератора 39 содержит переключаемые амперметр и вольтметр.

В приемнике теплового излучения почвы 41 используются пироэлектрические инфракрасные датчики 42, которые преобразуют энергию поглощенного теплового излучения в электрический сигнал (например, японские датчики фирмы IRA IRA-E410 QW1 с углом обзора 17° или IRA-E710 ST1 с углом обзора 45°). В зависимости от ширины захвата впереди агрегата (рабочих органов почвообработки) устанавливается линейка из нескольких пироэлектрических инфракрасных датчиков для обеспечения требуемого угла обзора. Сумматор-усреднитель 44 выполнен на операционных усилителях. Ко входам каждого сумматора на операционном усилителе подаются сигналы с 3…4-х функциональных преобразователей 43 (датчиков 42). Каждый сумматор на операционном усилителе осуществляет также интегрирование (усреднение) просуммированных сигналов. Если датчиков 42 более четырех, то целесообразно в сумматоре-усреднителе 44 устанавливать параллельно 2…3 дополнительных первичных сумматора на операционных усилителях с последующим суммированием на общем сумматоре на операционном усилителе всех сигналов с первичных сумматоров.

Исследованиями установлено, что между влажностью и твердостью почвы существует линейная зависимость - с ростом влажности уменьшается твердость.

Например, эмпирические зависимости между твердостью У и влажностью X черноземной почвы имеют вид

где У - в МПа, X - в процентах; ν - коэффициент вариации.

Аналогичные зависимости получены по глубинам 0…5 см и 5…10 см (с различными коэффициентами). Учет влажности при определении твердости особенно эффективен при обработке почв комплексного содержания (дерново-подзолистых, серно-лесных и др.), у которых более сильная связь между влажностью и твердостью.

Возникает неоднозначность определения твердости сухой и влажной почвы. Возможно сезонное или кратковременное повышение влажности почвы. Поэтому может быть принято неверное решение о воздействии на почву (внесения мелиорантов или удобрений), полагая, что ее твердость не требует воздействия, хотя при снижении влажности ее твердость возрастает и может превысить допустимые пределы, в этом случае требуется воздействовать на почву для изменения ее состояния. С другой стороны, установлено, что между влажностью почвы и тепловым излучением (потоком) почвы в окружающее пространство также существует линейная зависимость.

Например, в динамическом режиме при выпаривании влаги из почвы

где m_с - масса абсолютно сухой почвы; E - жидкостный коэффициент почвы; G_в - поток испаряемой влаги; Q_т - тепловой поток; k_Т - коэффициент пропорциональности.

В статическом режиме тепловой поток Q_т связан с испаряемой влагой эмпирической зависимостью

где T_в - температура испаряемой влаги; G_в - поток испаряемой влаги, кг/ч.

Следовательно, по измеренному тепловому излучению почвы можно оценить ее влажность и определить твердость почвы с учетом ее влажности. Для измерения теплового излучения почвы можно использовать пироэлектрические инфракрасные датчики, которые преобразуют энергию поглощенного теплового излучения в электрический сигнал (например, японские датчики фирмы IRA IRA-E410 QW1 с углом обзора 17° или IRA-E710 ST1 с углом обзора 45°). В зависимости от ширины захвата рабочих органов почвообработки устанавливается линейка из нескольких пироэлектрических инфракрасных датчиков для обеспечения требуемого угла обзора.

Устройство для непрерывного определения твердости почвы почвообрабатывающими агрегатами, моторно-транспортное средство которых содержит двигатель, работает следующим образом.

Используя тот или иной косвенный параметр П_N, отражающий мощность двигателя N_е, можно определить на рабочих скоростных режимах, близких к n=n_ном (n - частота вращения коленчатого вала), среднюю твердость почвы по глубине пахоты:

где β - коэффициент пропорциональности, постоянный для данного тягового средства и определяемый при градуировке посредством тягового динамометра; a и b - глубина вспашки и ширина захвата; m - эмпирический коэффициент; индексы p и x соответствуют рабочему (под нагрузкой) и холостому проходам агрегата.

В качестве параметра П_N аналогично прототипу применены следующие величины:

;

;

;

;

;

,

где - средневыпрямленные значения составляющих углового ускорения коленчатого вала: компрессионная, газовая, термодинамическая, кратных 3…4-й гармоникам частоты вращения коленчатого вала; в П_N2…П_N6 применены максимальные и средние квадратические значения p_к - давление наддува; ω_Т и s_Т - угловые скорость и ускорение ротора турбокомпрессора; p_{к вх} - давление воздуха перед компрессором; Δp_р - разрежение воздуха на входе в компрессор; в П_N11…П_N18 с индексом 34 - средневыпрямленные, а с индексом 34max - максимальные значения составляющих p_к, p_{к вх}, Δp_p, S_T, кратных 3…4-й гармоникам частоты вращения коленчатого вала; в П_N19…П_N20 применены смещение суммарного ускорения коленчатого вала относительно мгновенного значения ускорения коленчатого вала при нахождении поршня в ВМТ (нулевой линии) ε_вмт, которое одновременно приводит к появлению сдвига φ_вмт по углу поворота коленчатого вала или интервала времени, соответствующего этому углу между ВМТ и моментом перехода мгновенного значения ускорения через ноль; в П_N21…П_N22 использованы значения I_г=I_нг или I_г=I_d; или (I_нг и U_г - ток нагрузки и напряжение генераторов постоянного тока с параллельным и с независимым возбуждением; I_d и U_d - выпрямленные ток нагрузки и напряжение вентильного генератора с независимым возбуждением).

Предварительно для конкретного типа агрегата измеряют с помощью тахометра частоту вращения коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания и устанавливают рабочую передачу. При холостом проходе агрегата устанавливают поочередно с помощью переключателей 30 и 31 и измеряют параметры П_Nx, отражающие мощность двигателя и затем на той же передаче при той же частоте вращения коленчатого вала аналогично устанавливают и измеряют поочередно параметры П_Np, отражающие мощность двигателя, при рабочем проходе агрегата. Одновременно с помощью тягового динамометра измеряют тяговое сопротивление. Определяют согласно (3) коэффициенты пропорциональности β между тяговым сопротивлением и разницей параметров П_Np-П_Nx. По результатам ряда измерений определяют среднее значение коэффициентов β. Затем при контрольном проходе данного агрегата на конкретном поле определяют степень залипания рабочих органов m. С помощью задатчика коэффициента связи 6 вводят в определитель твердости почвы 4 поочередно соответствующие значения коэффициента связи к_св. С помощью задатчика коэффициентов влажности и твердости почвы 50 вводят вручную в определитель влажности почвы 46 (на его второй вход) в первом положении четвертого переключателя 51 заранее известные коэффициенты, согласно (2) и (3) с учетом температуры почвы, а в определитель твердости почвы с учетом влажности 48 (на его третий вход) во втором положении четвертого переключателя 51 - согласно зависимостям (1) и им подобных.

Проводят основную обработку почвы на рабочей передаче. С помощью датчика частоты вращения коленчатого вала 7 и тахометра 8 контролируют частоту вращения, которая должна равняться той, при которой определены коэффициенты β. Формирователь угловых меток 9 преобразует сигнал, поступающий с датчика частоты вращения коленчатого вала 7, в последовательность импульсов стандартной амплитуды и длительности, которая с помощью функционального преобразователя угловой скорости 10 преобразуется в напряжение с последующим его дифференцированием дифференциатором 11. С выхода дифференциатора 11 напряжение, соответствующее угловому ускорению коленчатого вала двигателя, подается на сигнальные входы аналогового ключа ВМТ 15 и аналогового ключа цилиндров 22, а также на вход нуль-органа 17. Сформированный с помощью последовательно соединенных датчика верхней мертвой точки 12 и формирователя 13 импульс ВМТ поступает на первый управляющий вход счетчика угловых меток 14 и на управляющий вход аналогового ключа ВМТ 15. На сигнальный вход счетчика угловых меток 14 подается последовательность импульсов с выхода формирователя угловых меток 9. Заранее вручную задатчиком 16 угловых меток цикла устанавливается емкость счетчика угловых меток 14, соответствующая повороту коленчатого вала на два оборота конкретного двигателя, а путем переключения конденсаторов - средняя частота полосы пропускания перестраиваемого резонансного фильтра 20, соответствующая 3…4-й гармоникам частоты вращения двигателя, при которой проводится измерение твердости почвы. Последовательность импульсов с выхода счетчика угловых меток 14 преобразуется в напряжение функциональным преобразователем 18. С выхода дифференциатора 11 сигнал, пропорциональный мгновенному значению углового ускорения, через переключатель 40 в первом положении поступает на вход нуль-органа 17, который срабатывает в момент равенства нулю ускорения, с выхода нуль-органа 17 сигнал поступает на четвертый управляющий вход счетчика 14 угловых меток и прекращает счет угловых меток, начавшийся с момента срабатывания датчика 12 ВМТ и поступления импульса с выхода формирователя 13 на первый управляющий вход счетчика 14. При установке переключателя 40 в первое положение напряжение на выходе преобразователя 18 пропорционально углу поворота коленчатого вала двигателя, начиная от момента нахождения поршня цилиндра в ВМТ до момента равенства нулю значения ускорения коленчатого вала двигателя. При установке переключателя 40 во второе положение напряжение на выходе преобразователя 18, соответствующее частоте вращения коленчатого вала (усредненной за два оборота угловой скорости), измеряется тахометром 8 и подается одновременно на управляющий вход перестраиваемого резонансного фильтра 20 для подстройки его резонансной частоты (средней частоты полосового фильтра) в небольших пределах. Ввиду неоднородности почвенного покрова (тягового сопротивления) при движении почвообрабатывающего агрегата частота вращения коленчатого вала, при которой измеряется твердость почвы, изменяется в некоторых пределах. Для повышения точности измерения твердости почвы в устройстве осуществляется подстройка этого фильтра в соответствии с изменением частоты вращения коленчатого вала. Последовательность импульсов с выхода счетчика угловых меток 14 одновременно поступает на сигнальный вход формирователя 19 угловых меток цилиндра, управляющий вход которого соединен с задатчиком 23 номеров угловых меток цилиндров - коммутатором (переключателем), с помощью которого заранее задаются номера импульсов, подсчитываемых счетчиком 19, соответствующих началу и концу работы цилиндров. Эти импульсы подаются на формирователь строба 21, с выхода которого сформированный строб следует на управляющий вход аналогового ключа цилиндров 22. На выходе перестраиваемого резонансного фильтра 20 напряжение измеряется первыми 24…26 измерителями средневыпрямленного, максимального и среднеквадратического значений, а на выходе аналогового ключа цилиндров 22 - вторыми 27…29 измерителями средневыпрямленного, максимального и среднеквадратического значений. Непрерывно измеряемое датчиком 1 давление наддува, датчиком 32 давление на входе турбокомпрессора, датчиком 34 давление разрежения турбокомпрессора, датчиком 36 угловая скорость ротора турбокомпрессора, преобразовываются соответствующими функциональными преобразователями 2, 33, 35 и 37 в напряжение. С выхода функционального преобразователя 37 сигнал подается на двойной дифференциатор 38, на выходе которого напряжение соответствует угловому ускорению ротора турбокомпрессора. При установке переключателя 31 в первое положение, устанавливают поочередно переключатель 30 в 1…13 положения, при этом на вход аналого-цифрового преобразователя 3 подаются соответственно сигналы с выходов функциональных преобразователей 2, 33, 35, двойного дифференциатора 38, аналогового ключа ВМТ 15, функционального преобразователя 18 (при соответствующем положении переключателя 40), первых 24…26 и вторых 27…29 измерителей средневыпрямленного, максимального и среднеквадратического значений, измерителя тока и напряжения генератора 39. Устанавливают поочередно переключатель 31 в 2…5 положения, а переключатель 30 в 8…10 положения, при этом на вход аналого-цифрового преобразователя 3 подаются соответственно сигналы с выходов функциональных преобразователей 2, 18, 33, 35 и двойного дифференциатора 38, пропущенные через перестраиваемый резонансный фильтр 20 и через первые 24…26 измерители средневыпрямленного, максимального и среднеквадратического значений. В соответствии с положениями переключателей 30, 31 и 40 задатчиком 6 устанавливают требуемый коэффициент связи. С выхода аналого-цифрового преобразователя 3 сигналы подаются на первый сигнальный вход определителя твердости почвы 4 с последующей визуализацией результатов измерения индикатором 5. При необходимости в определителе 4 может рассчитываться среднее значение твердости почвы, полученное по всем параметрам мощности.

Одновременно измеренные пироэлектрическими инфракрасными датчиками 42 (объединенными в приемник 41) тепловые излучения почвы через соответствующие функциональные преобразователи сигналов пироэлектрических датчиков 43 поступают на сумматор-усреднитель 44, в котором осуществляется суммирование сигналов от всех датчиков и получение среднего значения излучения, измеренного приемником 41. С помощью цифрового вольтметра 45 измеряется значение напряжения на выходе сумматора-усреднителя 44. Это напряжение в виде кода подается с выхода цифрового вольтметра 45 на первый вход определителя влажности почвы 46, на второй вход которого через четвертый переключатель 51 в первом положении поступает код коэффициента влажности с задатчика коэффициентов влажности и твердости почвы 50. В определителе влажности почвы 46 рассчитывается влажность почвы (согласно (2) и (3)). Результат расчета в виде кода поступает на индикатор влажности почвы 47 и на первый вход определителя твердости почвы с учетом влажности 48, на второй вход которого подается код сигнала твердости, измеренного определителем твердости 4, а на третий вход через четвертый переключатель 51 во втором положении поступает код коэффициентов твердости с задатчика коэффициентов влажности и твердости почвы 50. В определителе твердости почвы с учетом влажности 48 рассчитывается твердость почвы (согласно (1)). Результат расчета в виде кода поступает на индикатор твердости почвы с учетом влажности 49.

Получение оперативной достоверной информации о твердости слоя почвы с учетом ее влажности позволяет устранить неоднозначность в определении твердости почвы, обеспечить качественную обработку почвы,

Предложенное техническое решение по сравнению с прототипом позволяет повысить универсальность, значительно увеличить точность и достоверность определения твердости слоя почвы с учетом ее влажности, устранить неоднозначность в определении твердости почвы и обеспечить качественную обработку почвы почвообрабатывающими агрегатами, находящимися в эксплуатации, моторно-транспортное средство которых содержит двигатель внутреннего сгорания. По сравнению с базовым объектом погрешность определения твердости почв уменьшается на 10…20%.

Устройство для непрерывного определения твердости почвы, содержащее тензозвено, последовательно соединенные датчик давления наддува и функциональный преобразователь давления наддува, аналого-цифровой преобразователь, определитель твердости почвы, задатчик коэффициента связи, индикатор, датчик частоты вращения коленчатого вала, тахометр, формирователь угловых меток, функциональный преобразователь угловой скорости, дифференциатор, датчик верхней мертвой точки, формирователь импульсов ВМТ, счетчик угловых меток, аналоговый ключ ВМТ, задатчик угловых меток цикла, нуль-орган, функциональный преобразователь числа импульсов в напряжение, формирователь угловых меток цилиндра, перестраиваемый резонансный фильтр, формирователь строба, аналоговый ключ цилиндров, задатчик номеров угловых меток цилиндров, первые и вторые измерители средневыпрямленного, максимального и среднеквадратического значений, с первого по третий переключатели, последовательно соединенные датчик давления на входе турбокомпрессора и функциональный преобразователь давления на входе турбокомпрессора, последовательно соединенные датчик давления разрежения турбокомпрессора и функциональный преобразователь давления разрежения, последовательно соединенные датчик угловой скорости ротора турбокомпрессора, функциональный преобразователь угловой скорости ротора и двойной дифференциатор, измеритель тока и напряжения генератора, причем датчик давления наддува соединен с функциональным преобразователем давления наддува, выход аналого-цифрового преобразователя соединен с первым входом определителя твердости почвы, выход которого соединен с индикатором, а второй вход - с задатчиком коэффициента связи, датчик частоты вращения коленчатого вала через формирователь угловых меток соединен с функциональным преобразователем угловой скорости, выход которого соединен с дифференциатором, датчик верхней мертвой точки через формирователь импульсов ВМТ соединен с управляющими первым входом счетчика угловых меток и входом аналогового ключа ВМТ, второй счетный вход счетчика угловых меток связан с выходом формирователя угловых меток, третий управляющий вход - с задатчиком угловых меток цикла, четвертый управляющий вход через третий переключатель - с выходом нуль-органа, выход счетчика угловых меток соединен с входом функционального преобразователя числа импульсов в напряжение и первым сигнальным входом формирователя угловых меток цилиндра, выход функционального преобразователя числа импульсов в напряжение соединен с тахометром и первым управляющим входом перестраиваемого резонансного фильтра, а выход формирователя угловых меток цилиндра через формирователь строба соединен с первым управляющим входом аналогового ключа цилиндров, второй управляющий вход формирователя угловых меток цилиндров соединен с задатчиком номеров угловых меток цилиндров, причем выход дифференциатора соединен с входами аналогового ключа ВМТ, нуль-органа и аналогового ключа цилиндров, выход перестраиваемого резонансного фильтра соединен с входами первых измерителей средневыпрямленного, максимального и среднеквадратического значений, а выход аналогового ключа цилиндров - с входами вторых измерителей средневыпрямленного, максимального и среднеквадратического значений, выход первого переключателя соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, а выход второго переключателя - с вторым сигнальным входом перестраиваемого резонансного фильтра, выход дифференциатора соединен с вторым переключателем в первом положении, выходы функциональных преобразователей давлений наддува, на входе турбокомпрессора и разрежения, двойного дифференциатора соединены с первым и вторым переключателями с второго по пятое положениями соответственно, выходы аналогового ключа ВМТ, функционального преобразователя числа импульсов в напряжение, первых и вторых измерителей средневыпрямленного, максимального и среднеквадратического значений, измерителя тока и напряжения генератора соединены с первым переключателем с шестого по тринадцатое положениями соответственно,
отличающееся тем, что в него дополнительно введены приемник теплового излучения почвы, состоящий из линейки пироэлектрических инфракрасных датчиков, функциональные преобразователи сигналов пироэлектрических датчиков, сумматор-усреднитель, цифровой вольтметр, определитель влажности почвы, определитель твердости почвы с учетом влажности, индикаторы влажности почвы и твердости почвы с учетом влажности, задатчик коэффициентов влажности и твердости почвы, четвертый переключатель, причем каждый из пироэлектрических инфракрасных датчиков приемника теплового излучения почвы соединен с соответствующими функциональными преобразователями сигналов датчиков, выходы которых соединены с входами сумматора-усреднителя, выход которого через цифровой вольтметр соединен с первым входом определителя влажности почвы, выход которого соединен с индикатором влажности почвы и первым входом определителя твердости почвы с учетом влажности, второй вход которого связан с выходом определителя твердости, а выход - с индикатором твердости почвы с учетом влажности, задатчик коэффициентов влажности и твердости почвы в первом положении четвертого переключателя соединен с вторым входом определителя влажности почвы, а во втором положении четвертого переключателя - с третьим входом определителя твердости почвы с учетом влажности.