Устройство для внутрипочвенного измерения агротехнологических характеристик пахотного слоя почвы в движении

Устройство для внутрипочвенного измерения агротехнологических характеристик пахотного слоя почвы в движении

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к сельскому хозяйству, а точнее - к технологиям точного земледелия и поддержания продуктивности агроэкосистем, и представляет собой устройство, предназначенное для непрерывного внутрипочвенного измерения агротехнологических характеристик почвы в пахотном слое, таких как влажность, электропроводность, температура, сопротивление горизонтальной пенетрации, оптических отражательных характеристик в видимом и ближнем инфракрасном спектре и других, в процессе движения по полю (on-the-go), при сочленении устройства с трактором или другим средством передвижения. Получаемая с помощью устройства измерительная информация необходима для определения пространственной и временной вариабельности агротехнологических характеристик полей и построения электронных карт полей по измеряемым характеристикам почвы, что служит основой для принятия управленческих решений в технологиях точного земледелия и поддержания продуктивности агроэкосистем. Использование в устройстве приемника системы геопозиционирования (GPS или ГЛОНАСС) дает возможность построения электронных карт полей в реальном времени в процессе движения по полю (то есть в режиме on-line). Периодическое проведение измерений с заданными временными интервалами на обследуемых полях с помощью заявляемого устройства позволяет получать данные о динамике изменения агротехнологических характеристик почвы.

Устройства для внутрипочвенного измерения агротехнологических характеристик пахотного слоя почвы в движении обеспечивают получение измерительной информации от участков почвы, непосредственно прилегающих к чувствительным элементам датчиков устройства, перемещаемым в пахотном слое, что дает преимущества по сравнению с бесконтактными и дистанционными устройствами в точности измерения характеристик по глубине почвы, где расположена корневая система растений, и соответственно, в точности электронного картирования полей по измеряемым характеристикам, увеличивая эффективность технологий точного земледелия и поддержания продуктивности агроэкосистем, использующих эту измерительную информацию.

Известны устройства для гальванического контактного измерения электропроводности (либо удельного электрического сопротивления) пахотного слоя почвы в движении, содержащие буксируемую за трактором, автомобилем или мотоблоком раму с дисковыми электродами, находящимися в контакте с почвой и пассивно вращающимися при движении вокруг осей, перпендикулярных к направлению движения. В устройстве [1. Veris® Quard EC1000 - Veris Techologies, Inc. (Канзас, США), http://www.veristech.com] используется колесная рама, на которой вдоль общей оси, перпендикулярной направлению движения, на подпружиненных рычагах установлены четыре электрически изолированных пассивно вращающихся дисковых электрода, находящихся в контакте с почвой. Дисковые электроды подключены к четырехэлектродной схеме измерения проводимости, работающей на частоте 150 Гц, при этом наружные диски служат токовыми электродами, а внутренние - выходными потенциальными, напряжение на которых является мерой проводимости, связанной расчетным соотношением с электропроводностью почвы. Глубина измерения определяется расстояниями между дисковыми электродами. В другой реализации устройства (Veris 3100, [1]) для определения электропроводности на двух уровнях глубины в почве (30 см и 91 см) оно снабжено дополнительной парой потенциальных дисков, разнесенных на большее расстояние (за пределы опорных колес). В аналогичном устройстве [2. Кошелев А.А., Щербаков С.И. Методы и средства измерения удельной электрической проводимости почв и их практическое применение в точном земледелии. - Автоматизация и информационное обеспечение производственных процессов в сельском хозяйстве. Сборник докладов X международной научно-практической конференции (16-17 сентября 2008 г., г.Углич). Часть 2, с.588, рис.4] используется шесть подпружиненных дисковых электродов, пассивно вращающихся вокруг осей, ортогональных направлению движения и равно удаленных друг от друга на расстояние 31 см для измерения электропроводности на двух уровнях глубины.

В также известном устройстве для гальванического контактного измерения электропроводности почвы в движении [3. Geocarta ARP - компания Geocarta (Париж, Франция), http://www.geocarta.net] за мотоблоком буксируется колесная рама, на которой на четырех отдельных разнесенных осях, перпендикулярных направлению движения, установлены четыре пары дисковых (с зубцами) пассивно вращающихся при движении электродов. При этом первой по направлению движения расположена ось с возбуждающими токовыми электродами, за ней установлена ось с потенциальными выходными электродами для измерения электропроводности на глубине 0,5 м. Далее следует ось с электродами для измерения электропроводности на глубине 1 м, и последняя ось с электродами служит для измерения электропроводности на глубине 2 м. Расстояние второй, третьей и четвертой осей от оси с возбуждающими электродами, а также расстояние между электродами на этих осях заданы из расчета получения максимального сигнала от электропроводности почвы на глубинах 0,5 м, 1 м и 2 м. Частота измерительного тока равна 220 Гц.

В Потсдамском университете (Германия) разработано устройство для контактного измерения в движении удельного электрического сопротивления почв Geophilus electricus, содержащее пару катящихся возбуждающих дисковых электродов, установленных с возможностью вращения на поперечной к направлению движения буксирующего средства оси на расстоянии 1 м друг от друга, и пять пар идентичных измерительных электродов, оси которых разнесены на фиксированное расстояние 0,5 м от оси возбуждающих электродов и друг от друга в направлении движения. Geophilus electricus использует четыре измерительных частоты в диапазоне 1 миллигерц - 1 килогерц и способен измерять амплитуду и фазу напряжений на пяти парах измерительных электродов одновременно. Использование пяти пар электродов и четырех измерительных частот дает более детальную информацию о вертикальной структуре почвы и о слоях внутри исследуемого диапазона глубин 0-2 м [4. Е. Lueck, J. Ruehlmann. Resistivity mapping with GEOPHILUS ELECTRICUS - information about lateral and vertical soil heterogeneity. The Second Global Workshop on Proximal Soil Sensing - Montreal 2011. http://bse.unl.edu/adamchuk/gwpss/Papers/GWPSS_2011_Lueck.pdf].

Описанные устройства контактного гальванического измерения электропроводности почв [1-4] используются для картирования пространственной неоднородности структуры почв, определяемой соотношением содержания песка, мелкозема и глины (песок имеет сравнительно низкую электропроводность, мелкозем - среднюю, глина - высокую вследствие возрастания контактной проводимости с уменьшением размера частиц), при этом глубина и ширина канала зондирования определяется разнесением токовых и измерительных электродов и составляет от 0,3 до единиц метров. Достоинством этих устройств является высокая производительность при картировании электропроводности за счет достаточно большого пространственного разнесения измерительных электродов, а также хорошая естественная защита от поломок при наезде на препятствия (камни в почве) благодаря круглой форме пассивно вращающихся дисковых электродов и небольшой глубине погружения в почву нижней кромки дисков при движении устройства по полю. Однако измеряемая этими устройствами электропроводность является интегральным показателем, зависящим как от структуры почв, так и от объемного влагосодержания, количества растворенных элементов минерального питания, кислотности почв. Измерение только одного параметра - электропроводности почвы, без отдельного измерения объемного влагосодержания не позволяет оценить количество растворенных элементов минерального питания, которое является важной агротехнологической характеристикой почв. Кроме того, устройства [1-4] не предназначены для измерения электропроводности почвы на заданной глубине внутри пахотного слоя почвы, что важно для технологий точного земледелия.

Измерение электропроводности почв в описанных устройствах [1-4] производят на низких частотах измерительного тока, указанных выше, для которых составляющая токов смещения, обусловленная диэлектрической проницаемостью почвы, ничтожно мала по сравнению с токами проводимости, используемыми для измерения электропроводности почв. В то же время известны устройства, работающие на высоких частотах измерительного тока 10-100 МГц, для измерения действительного ε' и мнимого ε'' компонентов комплексной диэлектрической проницаемости ε ˙ (КДП) почв:

ε ˙ = ε ' -j ε ' ' ,                                                       (1)

где действительный компонент ε' комплексной диэлектрической проницаемости ε ˙ характеризует способность вещества обратимо поляризоваться в электрическом поле, а мнимый компонент КДП ε'' (фактор потерь) характеризует необратимые тепловые потери при поляризации и связан с электропроводностью почв σ соотношением:

ε ' ' = σ /( ω ε 0 ),                                                   (2)

где ω - круговая частота электромагнитного поля, ε₀=8,854·10^-12 Ф/м - электрическая постоянная. Два компонента ε' и ε'' КДП, а также σ почв определяют по электрической емкости С_ПИП, проводимости G_ПИП и частоте тока питания ω емкостного датчика (первичного измерительного преобразователя), введенного в почву, по соотношениям:

ε ' = C П И П ε 0 К П ,   ε ' ' = G П И П ω ε 0 K П ,   σ = G П И П К П ,   ( 3 )

где K_П - геометрическая постоянная емкостного датчика.

Проведенные к настоящему времени исследования диэлектрических свойств почв в диапазоне частот от низких до 100 МГц показывают, что на частотах выше 10 МГц можно пренебречь влиянием двойного электрического слоя на контактах измерительных электродов с почвой на результаты измерений, при этом действительный компонент ε' КДП является возрастающей функцией объемного влагосодержания почвы θ (зависящей также от вида почвы), а электропроводность почвы σ близка к значениям, измеряемым четырехэлектродным методом измерения электропроводности на низких частотах, используемым в описанных выше устройствах [1-4]. Таким образом, одновременное измерение компонента ε' КДП и электропроводности σ на одной частоте измерений ω (двухкомпонентная диэлькометрия) позволяет определить как объемное влагосодержание, так и электропроводность почвы с помощью одного емкостного датчика. Важным преимуществом одновременного измерения ε' и σ является возможность вычисления по ним электропроводности почвенной воды, являющейся мерой растворенных в почве элементов минерального питания, доступных корневой системе растений (например, по модели Хилхорста: [5. Hilhorst M.A. A pore water conductivity sensor. Soil Sci. Soc. Am. J., 2000, Vol.64, No.6, p.1922-1925]. Это важно для управления режимом питания растений и внесения удобрений.

Известно устройство для одновременного измерения объемного влагосодержания, электропроводности и температуры почв на основе двухкомпонентной диэлькометрии, предназначенное для точечных полевых измерений и имеющее емкостной датчик в виде трехштыревого зонда с центральным потенциальным и двумя боковыми корпусными электродами [6. User Manual for the WET Sensor type WET-2. WET-UM-1.4. Delta-T Devices Ltd. http://www.delta-t.co.uk]. Термочувствительный элемент вмонтирован в потенциальный электрод. Устройство содержит автогенератор с фиксированной рабочей частотой 20 МГц, к выходу которого подключен емкостный датчик. Для раздельного измерения действительного компонента КДП ε' (по которому определяют объемное влагосодержание почвы) по емкости датчика C_ПИП и электропроводности почвы σ по проводимости датчика G_ПИП устройство построено по принципу векторного вольтметра с фазовым разделением активной и реактивной составляющих импеданса емкостного датчика. Устройство предназначено для точечных полевых измерений влагосодержания почв при маршрутном обследовании полей, при этом глубина измерения варьируется от измерения поверхностного слоя почвы до глубины порядка одного метра при использовании бура для предварительного бурения скважины, в дно которой вводят электроды датчика. Оно может также использоваться для стационарных измерений динамики измеряемых параметров в составе агрометеорологической станции при постоянной установке на заданной глубине в почве. Однако это устройство не предназначено для непрерывного измерения диэлектрических свойств почв в движении.

Известно устройство для измерения объемного влагосодержания почвы в движении с помощью емкостного диэлькометрического датчика, установленного с тыльной стороны вертикального ножа-щелереза на диэлектрической пластине. Нож-щелерез смонтирован на задней навеске трактора и снабжен опорным колесом, задающим глубину погружения датчика в почву при его движении в щели, создаваемой ножом-щелерезом при перемещении трактора по полю. Датчик имеет электроды в виде трех параллельных планарных полос, установленных в вертикальной плоскости и вытянутых вдоль направления движения (центральный электрод - потенциальный, верхний и нижний - корпусные), и включен в автогенераторную схему измерения, частота автоколебаний которой составляет 12,7 МГц для влажной почвы и 18,9 МГц для сухой [6. V.I. Adamchuk, C.R. Hempleman, D.G. Jahraus. On-the-go capacitance sensing of soil water content. An ASABE meeting presentation. Paper number: MC09-201, p.3, fig.1 (2009 ASABE Mid-Central Conference, Ames, Iowa, April 4-5, 2009). 7. В.И. Адамчук. Точное земледелие: какой в этом смысл? Журнал: Питание растений, 2011, №1, с.3, рис.2]. Достоинством устройства является возможность непрерывного контактного измерения влажности почвы на заданной глубине в пахотном слое почвы при движении трактора по полю, недостатком - отсутствие защиты датчика от поломки при наезде ножа-щелереза на камни. Кроме того, в датчике и измерительном устройстве не реализована возможность одновременного измерения влажности и электропроводности почвы емкостным датчиком с использованием принципов двухкомпонентной диэлькометрии, что позволило бы проводить оценку и картировать содержание растворенных элементов минерального питания в пахотном слое почвы.

Для определения температурно-влажностного состояния пахотного слоя почвы на полях, особенно при определении сроков сева, необходимо производить внутрипочвенное измерение температуры в движении. Известен датчик для измерения в движении в реальном времени и картирования параметров почвы (RTSS - real time soil sensor), включающий инфракрасный датчик температуры [8. М. Kodaira, S. Shibusawa, К. Ninomiya. Dozen parameters soil mapping using the real-time soil sensor. - 10-th International Conference on Precision Agriculture. July 18-21, 2010. Denver. Colorado. USA. http://s3.amazonaws.com/zanran_storage/www.icpaonline.org/ContentPages/116510321.pdf]. Датчик RTSS имеет установленный на тракторе пенетратор и снабжен механизмом для установки нижней грани пенетратора и измерения отражательной способности почвы на глубинах от 0,05 до 0,35 м с шагом 0,05 м. При движении трактора наконечник и нижняя горизонтальная грань пенетратора обеспечивают резание почвы и создают за ним канал с плоской выровненной горизонтальной поверхностью, совпадающей с нижней гранью пенетратора. Над этой поверхностью установлены излучатель и приемник для измерения отражательной способности почвы, а также радиационный термометр, использующий ближнюю инфракрасную область спектра. Достоинством инфракрасного термометра является малая инерционность, что важно при измерении в движении, однако его показания существенно зависят от отражательной способности почвы, что приводит к большой погрешности измерения температуры.

Важной агротехнологической характеристикой почв является твердость почвы, которую определяют путем вдавливания в почву деформирующего элемента (пенетратора) с малой постоянной скоростью, измерением силы вдавливания и вычислением отношения силы вдавливания к площади поперечного сечения деформирующего элемента в направлении вдавливания. Это отношение, выражаемое в единицах давления, называется твердостью почвы, или сопротивлением пенетрации, или механическим сопротивлением почвы. Твердость почвы определяет режимы ее обработки сельскохозяйственными орудиями. Высокая твердость почвы угнетает развитие корневой системы растений, снижает фильтрацию и движение питательных веществ в почве, ухудшает воздушный режим почвы. Общепринятым методом измерения твердости почвы является вертикальное вдавливание в почву конусного наконечника с заданным углом при вершине и заданной площадью поперечного сечения, измерение силы вдавливания и вычисление давления при вдавливании. Потребность в непрерывном измерении в движении твердости почвы и построении карт твердости почвы привела к созданию горизонтальных измерителей твердости почвы - горизонтальных пенетрометров.

Известно устройство для непрерывного определения в движении твердости почвы [9. Авт. свид. СССР №397847. Прибор для непрерывного определения твердости почвы, заявл. 30.07.1971, опубл. 17.09.1973, МПК G01N 33/24], содержащее буксируемую за трактором тележку с полозьями и деформирующий элемент (пенетратор), который выполнен в виде конусного наконечника и установлен горизонтально в нижней части тензометрической стойки, закрепленной на раме тележки через жесткий шарнирный четырехзвенный механизм, связанный с винтовой регулировочной тягой, задающей глубину положения конусного деформирующего элемента в почве. В верхней части тензометрической стойки наклеены тензометрические датчики, регистрирующие изгибающий момент, пропорциональный лобовому сопротивлению конусного деформирующего элемента. Перед тензометрической стойкой над деформирующим элементом установлен защитный нож, который режет почвенный пласт и разгружает тензометрическую стойку, в результате чего тензометрические датчики измеряют воздействие почвы только на деформирующий элемент. Недостатком устройства является незащищенность конусного деформирующего элемента при его перегрузке или наезде на камни, что вызывает поломки устройства. Кроме того, измеряемое значение твердости почвы зависит от влагосодержания почвы, которая не измеряется этим устройством.

Недостаток устройства [9], связанный с незащищенностью от поломок деформирующего элемента при перегрузке или наезде на камни, устранен в известном устройстве для непрерывного определения в движении твердости почвы [10. Авт. свид. СССР №1201773. Прибор для непрерывного определения твердости почвы, заявл. 13.07.1984, опубл. 30.12.1985, МПК G01N 33/24]. Как и в предыдущем устройстве, здесь используется тензометрическая стойка с закрепленным в нижней части деформирующим элементом и тензометрическими датчиками в верхней части и защитный нож, установленный перед тензометрической стойкой. Деформирующий элемент выполнен в виде вертикального дополнительного ножа с трапецеидальным сечением в плоскости, поперечной к вертикальной плоскости деформирования, с большим основанием вверху. Защитный нож установлен перед деформирующим элементом с возможностью вертикального перемещения относительно стойки, что позволяет регулировать глубину измеряемого слоя почвы. Деформирующий элемент закреплен на тензометрической стойке при помощи оси и предохранительного штифта, который обеспечивает неподвижность соединения деформирующего элемента со стойкой, а в случае перегрузки или наезда на камень деформирующий элемент отклоняется назад, поворачиваясь относительно оси и срезая штифт, что исключает его поломку. Однако устройство не обеспечивает одновременное измерение влагосодержания почвы, что затрудняет интерпретацию результатов измерения твердости.

Другим устройством для измерения сопротивления горизонтальной пенетрации почвы в движении является динамометрический плоскорез, содержащий раму с опорным колесом и навесную систему для монтажа на мобильном средстве. На раме через шарнир закреплена вертикальная стойка, в нижней части которой установлен рабочий орган - лапа плоскореза, а между верхним концом стойки и рамой закреплен измеритель усилия, действующего со стороны почвы на рабочий орган - лапу плоскореза. Устройство предназначено для определения толщины гумусного слоя почвенного покрова по значению сопротивления пенетрации [11. Патент РФ №2143112. Способ определения толщины гумусного слоя почвенного покрова. МПК: G01N 33/24, A01B 79/00, заявл. 29.04.1998, опубл. 20.12.1999]. При движении плоскореза по полю с постоянной скоростью на постоянной глубине усилие на рабочий орган имеет большее значение для участков с меньшей толщиной гумусного слоя вследствие более плотного сложения почвы на этих участках (большей объемной массы). Достоинством устройства является самозаглубление плоскореза при движении по полю, что упрощает конструкцию устройства, недостатками - отсутствие защиты от поломок при наезде на препятствия и отсутствие одновременного измерения влагосодержания почвы.

Известен зонд для измерения вертикального профиля сопротивления горизонтальной пенетрации в движении с несколькими призматическими чувствительными элементами (пенетраторами), расположенными по вертикали на несущей консоли [12. Chung, S.O., Sudduth, K.A., Hummel, J.W. Design and validation of an on-the-go soil strength profile sensor. Transactions of the ASABE (American Society of Agricultural and Biological Engineering), 2006, Vol.49 (1), p.5-14]. Каждый из чувствительных элементов снабжен тензометрическим датчиком силы, что позволяет измерять вертикальный профиль сопротивления горизонтальной пенетрации в движении.

Для измерения профиля сопротивления горизонтальной пенетрации в движении используется также устройство с тремя режущими лезвиями разной длины, установленными друг за другом в направлении движения, при этом каждое лезвие снабжено тензометрическим датчиком силы. Верхнее лезвие измеряет механическое сопротивление почвы в пределах горизонтального слоя, разрезаемого этим лезвием; установленное за ним среднее лезвие измеряет сопротивление слоя почвы, разрезаемого концом среднего лезвия, выступающим ниже первого лезвия; последнее по направлению движения лезвие измеряет сопротивление почвы, разрезаемой концом третьего лезвия, выступающим ниже среднего лезвия [13. V.I. Adamchuk. On-the-go proximal soil sensing for agriculture, p.4. AGRI-SENING 2011 (Haifa, Israel, February 21, 2011), http://bse.unl.edu/adamchuk/presentations/Agri-Sensing_2011.pdf].

В статье [14. A. Sharifi, A. Mohsenimanesh. Soil mechanical resistance measurement by an unique multi-cone tips horizontal sensor. International Agrophysics, 2012, 26, 61-64] рассмотрен датчик для измерения сопротивления горизонтальной пенетрации в движении с пятью конусными пенетраторами, установленными на разных уровнях глубины, с тыльной стороны которого размещены преобразователи действующей на пенетраторы силы в электрический сигнал. Особенностью датчика является установка конусных пенетраторов на вертикальном ноже с использованием стержней, длина которых максимальна для верхнего пенетратора и последовательно убывает к нижнему пенетратору. Такое решение позволяет вынести пенетраторы вперед за область перед ножом-щелерезом, в которой этот нож разрушает структуру почвы (производит рыхление и осыпание почвы из верхних слоев в нижние), что повышает точность измерения сопротивления горизонтальной пенетрации. Лабораторные испытания на почвенном канале с почвой, имеющей заданную плотность и влажность, показали, что такая конструкция датчика позволяет повысить коэффициент корреляции R между результатами измерения сопротивления вертикальной пенетрации обычным конусным вертикальным пенетрометром и сопротивления горизонтальной пенетрации до R²=0,86 на глубинах в почве 0-400 мм. Обычные конструкции горизонтальных пенетрометров для измерений в движении дают коэффициент корреляции R²=0,51 [15. Sun, Y., Ma, D., Lammers, P., Schmittmann, O., Rose, M. On-the-go measurement of soil water content and mechanical resistance by a combined horizontal penetrometer. Soil and Tillage Research, 2006, 86, p.209-217], или R²=0,76 [16. Chukwu E., at all. Instantaneous multi-depth soil mechanical impedance sensing from a moving vehicle. Trans. ASAE, 2005, 48(3), 885-894]. Однако рассмотренная конструкция не имеет защиты от поломок при наезде на камни и не измеряет влагосодержание почвы, от которой зависит сопротивление горизонтальной пенетрации.

Известно также устройство для измерения сопротивления горизонтальной пенетрации почвы в движении, содержащее размещенный на раме движущегося носителя вертикальный нож с ориентированным в направлении движения лезвием, в нижней части которого установлен чувствительный элемент (пенетратор) датчика механического импеданса, обращенный в направлении движения, с тыльной стороны которого вмонтирован преобразователь давления почвы в электрический сигнал [17. Патент США US 6647799, Nov. 18, 2003]. Устройство снабжено механизмом вертикального возвратно-поступательного колебательного движения датчика с несущим ножом, которое производится одновременно с горизонтальным перемещением устройства по полю, что упрощает выявление уплотненных слоев почвы при обследовании сельскохозяйственных полей.

Устройства [12-17] не имеют защиты от поломок при наезде на препятствия и не обеспечивают измерение влагосодержания почвы одновременно с сопротивлением горизонтальной пенетрации.

Известно устройство для непрерывного измерения в движении сопротивления горизонтальной пенетрации и определения объемной плотности и уплотнения пахотного слоя почвы, монтируемое на раме сзади трактора и содержащее рабочий орган - плоскорез, а также установленный над почвой радар - измеритель влажности, опорные колеса с датчиком глубины движения в почве плоскореза и измеритель усилия резания почвы на заданной глубине [18. Abdul Mounem Mouazen, Herman Ramon and Josse de Baerdemaeber. Modelling compaction from on-line measurement of soil properties and sensor draught. Pecision Agriculture, 2003, 4(2): 203-212]. Разработана численно-статистическая гибридная модель для расчета сухой объемной плотности по измеренным в реальном времени влагосодержании, глубине обработки и показаниям измерителя усилия резания почвы плоскорезом. Для непрерывного картирования в движении (режим on-line) значений определяемой сухой объемной плотности почвы и выявления ее уплотнения при превышении допустимого значения плотности используется система глобального позиционирования (GPS). Контроль значений сухой объемной плотности почвы и выявление зон с уплотненной почвой позволяет проводить агротехнологические мероприятия по разуплотнению почвы, так как уплотнение почвы снижает урожайность сельскохозяйственных культур вследствие ухудшения водного и воздушного режимов растений. К недостаткам устройства следует отнести: отсутствие защиты рабочего органа от повреждения при наезде на препятствия; бесконтактное измерение влажности с помощью радара, дающее осредненное значение влажности по глубине зондирования радара вместо значения влажности, на глубине движения рабочего органа, что снижает точность вычисления сухой объемной плотности; использование плоскореза в качестве рабочего органа горизонтального пенетрометра, что затрудняет проведение измерений в междурядьях выращиваемых растений.

К аналогам заявляемого устройства для контактного измерения агротехнологических характеристик пахотного слоя почвы в движении относится также другое устройство для одновременного измерения сопротивления горизонтальной пенетрации и влажности в процессе движения по полю (см. [15] выше). Устройство содержит горизонтальный конусный пенетрационный стержень, жестко установленный на нижнем конце силового рычага, шарнирно закрепленного в верхней части на несущей раме. Ниже точки шарнирного крепления рычага на раме к рычагу шарнирно присоединен расположенный горизонтально датчик силы, второй конец которого закреплен на опоре, установленной на несущей раме. Перед силовым рычагом на раме установлено вертикальное лезвие, исключающее силовое действие почвы непосредственно на рычаг при движении в почве и обеспечивающее измерение только силы, действующей на конус пенетрометра на глубине измерения. Кроме того, лезвие защищает силовой рычаг пенетрометра от поломки при столкновения с камнями. За конусом на пенетрационном стержне через изоляторы установлены два кольцевых электрода, образующих емкостной датчик, подключенный к диэлькометрическому устройству для определения влажности по электрической емкости датчика. Это устройство, смонтированное на мобильном средстве, использовано для непрерывного измерения в движении на глубинах до 20 см. Недостатками устройства являются: непредназначенность для измерения более двух агротехнологических параметров почвы; отсутствие узлов, обеспечивающих заданную фиксированную глубину расположения чувствительных элементов датчиков от поверхности почвы; отсутствие защиты пенетрационного конусного стержня с емкостным датчиком от повреждения при наезде на камни.

Дальнейшим развитием устройства [15] является горизонтальный пенетрометр с комбинированным трехпараметрическим датчиком для измерения в движении содержания влаги, электропроводности и механического сопротивления почвы [19. Q. Zeng, Y. Sun, P.S. Lammers. A triple-sensor horizontal penetrometer for on-the-go measuring soil moisture content, electrical conductivity and mechanical resistance. Abstract CSBE 101339. XVII-th World Congress of the International Commission of Agricultural and Biosystems Engineering (CIGR) - Quebec City, Canada, June 13-17, 2010], [20. Q. Zeng, Y. Sun, P.S. Lammers at al. Improvement of a dual-sensor horizontal penetrometer by incorporating an EC sensor. Computers and Electronics in Agriculture, 2008, Volume 64, Issue 64 (2), p.333-337]. Датчик электропроводности в виде набора четырех кольцевых электродов с равными промежутками вмонтирован в конусный наконечник горизонтального пенетрометра помимо емкостного датчика влажности с двумя цилиндрическими электродами, установленными через изоляторы на несущем стержне вблизи конусного наконечника. Измерение электропроводности в зоне пенетрации дает дополнительную информацию о структуре почвы, однако недостатком устройства является отсутствие защиты от поломок при наезде на препятствия.

Помимо изложенных выше устройств известно применение видимой - ближней инфракрасной отражательной спектроскопии для исследования физических и химических характеристик почв как в лабораторных, так и в полевых условиях, в том числе подповерхностного обследования в движении для картирования свойств почв.

Известен датчик для измерения в движении органического вещества почвы в реальном времени, установленный на устройстве, сопряженном со средством передвижения, и содержащий корпус, внутри которого находятся источник света и светочувствительный элемент [21. Патент США US 5044756, Sep.3, 1991. Real-time soil organic matter sensor. МПК: G01N 21/49; G01N 21/84; G01N 33/24]. Светочувствительный элемент воспринимает свет, отраженный от освещенной почвы, и создает выходной сигнал, который зависит от содержания органического вещества в освещенной почве. Корпус датчика установлен на устройстве так, что при движении датчика в почве освещенный участок почвы, отраженный свет от которого воспринимается светочувствительным элементом, расположен ниже поверхности окружающей почвы и корпус экранирует освещаемый участок почвы от внешнего света. Корпус датчика имеет башмакообразную форму с заостренной носовой частью для разрезания почвы при движении и плоское дно для создания в почве канала с гладкой горизонтальной поверхностью. Дно корпуса имеет вырез, против него в корпусе расположена ниша, в которой перпендикулярно поверхности почвы установлен светочувствительный элемент (фотодиод) и окружающие его источники света (светоизлучающие диоды). Светочувствительный элемент и светоизлучающие диоды установлены на общем основании на расстоянии 1 дюйм от поверхности почвы, закрыты светопрозрачной пластиной и создают на поверхности почвы освещенный участок площадью около 70 мм². Для уменьшения влияния шероховатости почвы на коэффициент отражения почвы в передней части выреза в подошве корпуса вмонтирован дуговидный фланец, контактирующий с почвой выпуклой поверхностью. В качестве источников света применены красные светоизлучающие диоды, излучающие свет с длиной волны, на которой меньше проявляется влияние окиси железа на отражательные свойства почвы. Недостатками датчика являются отсутствие защиты от повреждения при наезде на препятствия, защиты от забивания почвой ниши с источниками и приемником света, отсутствие средств измерения влагосодержания почвы, от которых существенно зависят характеристики отражения почвы.

В материалах Международной конференции [22. V.I. Adamchuk. On-the-Go Proximal Soil Sensing for Agriculture, p.3 - (средние слайды в левой и правой колонках). AGRISENING 2011 (Haifa, Israel, February 21, 2011), http://bse.unl.edu/adamchuk/presentations/Agri-Sensing_2011.pdf] представлен датчик, выполненный в виде полого башмака с горизонтальной подошвой, установленного на вертикальной стойке и горизонтально перемещаемого в пахотном слое почвы. Подошва снабжена сапфировым окном, против которого в башмаке установлен приемник излучения - фотодиод - и шесть окружающих его излучателей - светодиодов - с длиной волны излучаемого света 660 нм. Измеряемый фотодиодом отраженный от почвы оптический сигнал с этой длиной волны зависит от содержания органического вещества в почве. Развитием этого устройства является гиперспектральный спектрофотометр отраженного видимого - ближнего инфракрасного света (там же, [22]). В нем использованы волоконно-оптические кабели для подведения к сапфировому окну в подошве башмака света от источника излучения и для подведения отраженного от почвы света к спектрофотометру, вынесенному на несущую раму трактора. Сапфировое окно обеспечивает прозрачность в диапазоне длин волн спектрофотометра от видимого до ближнего инфракрасного света 400-1700 нм и является устойчивым к шлифующему действию почвы. Глубина движения башмака в пахотном слое почвы задается опорным колесом, установленным на несущей раме. Недостатками обоих устройств [22] является расположение оптического окна в подошве измерительного башмака, что вызывает нестабильность результатов измерений вследствие возникновения зазора между подошвой и почвой при вертикальных флуктуациях положения башмака за счет неровностей поверхности почвы под опорным колесом, а также отсутствие измерения физических параметров почвы, которые необходимы для принятия агротехнологических решений.

Известен также оптический датчик для измерения в движении в реальном времени отражательных характеристик почвы [23. Патентная заявка США US 2011/0102798 Optical real time soil sensor. Дата публикации 5 мая 2011 г., МПК G01N 21/55], выполненный в виде вертикальной плоской коробки, установленной вдоль направления движения и перемещаемой в пахотном слое с помощью стойки-ножа, закрепленной в задней части буксируемой за трактором колесной рамы. Боковая стенка корпуса-коробки снабжена сапфировым окном, против которого внутри коробки установлен источник освещения почвы и приемник отраженного света от почвы. Источниками освещения почвы служат один или несколько монохроматических или полихроматических светодиодов, или лазерных диодов, в качестве приемников отраженного от почвы света - фотодетекторы. Большое разнообразие светоизлучающих диодов позволяет проводить исследования отражательных характеристик почв от ультрафиолетового диапазона (включая участок от 350 до 370 нм, в котором возбуждается флюоресценция в почве) до видимого и ближнего инфракрасного диапазонов оптического спектра (400-1550 нм). Возможно также формирование спектрального диапазона с помощью светофильтров, устанавливаемых перед фотодетекторами. Датчик предназначен для диагностирования органического вещества почвы и построения карт для управления внесением гербицидов, удобрений и посевом семян. Достоинством датчика является расположение оптического окна на боковой стенке корпуса датчика, что исключает появление случайного зазора между окном и почвой при вертикальных флюктуация