автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Обоснование параметров и разработка прибора для оперативного неразрушающего контроля влажности при заготовке кормов

На правах рукописи

УДК 631.3:543.812.08

Пугачев Петр Михайлович

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И РАЗРАБОТКА ПРИБОРА ДЛЯ ОПЕРАТИВНОГО НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ВЛАЖНОСТИ КОРМОВ

Специальность 05.20.01 — Технологии и средства механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва — 2006

Работа выполнена в Государственном научном учреждении Всероссийском научно-исследовательском институте механизации сельского хозяйства (ГНУ ВИМ).

Научный руководитель - доктор технических наук

Секанов Ю.П.

Официальные оппоненты: академик Россельхозакадемии

Кряжков В.М.

кандидат технических наук Черевиков В.Д.

Ведущая организация -

Всероссийский научно - исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ)

Защита состоится "27" июля 2006 г. в 10 ч на заседании диссертационного совета Д.006.020.01 при Государственном научном учреждении Всероссийском научно-исследовательском институте механизации сельского хозяйства (ГНУ ВИМ) по адресу: Москва, 109428, 1-й Институтский проезд, д. 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ ВИМ. Автореферат разослан " 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук

Зюлин А.II.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Нарушение требований к влажности травяных кормов на всех технологических операциях при их заготовке приводит к значительным потерям, достигающим 30...50 % общих потерь питательных веществ, превышению до 50 % нормативных затрат топлива на сушку зеленых кормов в высокотемпературных сушилках, что отражается на качестве, количестве и себестоимости заготавливаемого корма.

Особенно остро стоит задача оперативного технологического контроля влажности трав, высушиваемых непосредственно в полевых условиях. Гостированый воздушно-тепловой метод определения влажности в силу его продолжительности (3...5 ч) и трудоемкости малопригоден, поскольку теряется оперативность принятия решений о своевременном проведении технологических операций.

Повысить эффективность управления технологическими процессами заготовки кормов можно с использованием экспрессного контроля их влажности на основе ди-элькометрического метода измерений. Однако имеющиеся средства контроля их влажности не удовлетворяют требованиям современных технологий заготовки кормов. Так, влагомеры с датчиком коаксиального типа требуют при измерении влажности трав осуществлять такие операции, как отбор проб в нескольких местах и их измельчение. Выполнение этих достаточно сложных и трудоемких операций в полевых условиях значительно снижает быстродействие, точность измерений и удобство эксплуатации прибора.

Получающие распространение зарубежные влагомеры с зондовыми датчиками не обеспечивают требуемую точность измерения влажности прессованного сена в связи с большой зависимостью результатов измерений от плот-

ности растительного материала.

Поэтому обоснование типа, метрологических и конструктивных параметров прибора для оперативного измерения влажности растительных материалов без отбора и подготовки проб является актуальным.

Цель работы - обосновать тип и параметры прибора для оперативного неразрушающего контроля влажности травяных кормов, способствующего повышению их качества и эффективности заготовки кормов.

Объект исследований - травяные корма, их физико-механические и электрофизические свойства, измерительные преобразователи и датчики для неразрушающего контроля влажности травяных кормов.

Методика исследований. При проведении теоретических и экспериментальных исследований были использованы методы математического и физического моделирования измерительных преобразователей неразрушающего контроля, теории вероятностей и электромагнитного поля. Экспериментальное подтверждение достоверности теоретических результатов проведено на образцовых измерительных приборах с использованием ГОСТов на методы отбора проб и измерения их влажности. Результаты измерений обрабатывали с применением методов дисперсионного и регрессионного анализа на персональном компьютере.

Научную новизну работы составляют:

- аналитические зависимости для обоснования конструктивных и метрологических параметров прибора с компланарным и зондовым датчиками;

- частотно-влажностные характеристики злаковых и бобовых трав в производственно-необходимом диапазоне изменения влажности, плотности в широком интервале частот электромагнитного поля с использованием различных конструкций измерительных преобразователей;

- расчетные зависимости для определения оптимальных размеров электродов компланарных преобразователей с максимальной чувствительностью к влажности при предельных значениях функции глубины зоны контроля (толщина слоя) растительного материала;

- способ компенсации влияния плотности растительных материалов на результаты измерения влажности.

Новизна технических решений разрабатываемого влагомера, подтверждена авторским свидетельством и патентом РФ.

Практическую значимость работы представляют:

- исходные требования на разработку универсального полевого микропроцессорного прибора для контроля технологических параметров кормов, утвержденные МСХ РФ;

- образец прибора блочно-модульного построения с первичными измерительными преобразователями компланарной и зондовой конструкции для неразрушающего контроля влажности кормов с различными физико - механическими свойствами;

- методика градуирования прибора с компланарным и зондовым датчиками;

- параметры электродной системы компланарных датчиков, обеспечивающие рациональную чувствительность к влажности слоя растительного материала в прокосах и валках заданной (обоснованной) глубины зоны контроля;

- технические решения, обеспечивающие компенсацию влияния плотности материала на результаты измерений влажности.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены на научно-практической конференции (Ленинград-Пушкин, 1991 г.), международных научно-технических конференциях (Москва, 1994 г.; Углич, 1995,

1997, 2004гг.); Москва-Минск, 2000 г., международной конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии СЭТТ - 2005», Москва, 2005 г.

Опытный образец влагомера кормов демонстрировался на Всероссийской агропромышленной выставке «Сельскохозяйственная техника и оборудование для отраслей АПК» (1999 г.) и удостоен диплома МСХ и продовольствия РФ.

Реализация результатов исследований. По результатам исследований изготовлен образец полевого микропроцессорного влагомера блочно-модульного построения с набором датчиков, позволяющих осуществлять контроль влажности трав в прокосах и валках, рассыпного и прессованного сена без отбора и подготовки проб. Опытный образец прибора успешно прошел производственные испытания в колхозе «Борец» Раменского района Московской области.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований могут быть использованы научно - исследовательскими организациями, а также заводами по созданию и производству влагомеров. Результаты исследований переданы в ООО фирма «Лепта» для подготовки мелкосерийного производства прибора.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 12 печатных работ, в том числе одно авторское свидетельство и патент.

На защиту выносятся:

— тенденции развития средств контроля влажности кормов и метод неразрушающего контроля влажности трав в прокосах, валках, тюках, рулонах и др.;

- научно обоснованные технические решения, используемые при выборе и расчете конструкционных и электрических параметров первичных измерительных преобра-

.зователей неразрушающего контроля влажности в полевых условиях;

- результаты исследований электрофизических свойств, частотно-влажностные характеристики кормовых материалов, полученные на измерительных преобразователях компланарного и зондового типа;

- результаты экспериментальных исследований опытных образцов и оценка их метрологических показателей;

- практическая реализация полевого микропроцессорного влагомера блочно-модульного построения и технико-экономическая эффективность его применения при контроле влажности в процессе заготовки кормов.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы 119 наименований, 4-х приложений, изложена на 171-й странице печатного текста, содержит 25 таблиц и 49 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во «Введении» показана актуальность темы и необходимость разработки прибора для неразрушающего контроля влажности травяных кормов, сформулирована цель работы.

В главе 1 «Состояние вопроса и задачи исследований» дан анализ технологий заготовки объемистых кормов, показана роль информации о влажности растительного материала в формировании качества заготавливаемых кормов (рис. 1). На основании анализа научных работ, литературных источников и производственного опыта по исследуемой проблеме рассмотрено состояние и развитие влагометрии кормовых материалов. Проанализированы методы измерения влажности трав в полевых условиях, в том числе вероятностные. Установлено преобладание диэлькометрического метода при разработке влагомеров кормов.

Рассыпное сено

Рис.1. Технологические требования к содержанию влаги при заготовке объемистых кормов.

В развитие теоретических и экспериментальных исследований в области влагометрии сельскохозяйственных материалов значительный вклад внесли: М.А. Берлинер, Е.С. Кричевский, И.Ф. Бородин, Ю.П. Секанов, Г.А. Гуляев, В.Д. Шеповалов, В.И. Загинайлов, В.Д. Черевиков, В.Р. Краусп, О.В. Кульков, 1СХМ. Урамовский, Я.Ф. Меренбах, Э.Л. Кочетова, У.СесЬ, Н ЯеМ^ и другие ученые.

В главе дан анализ существующих конструкций первичных измерительных преобразователей (ПИП) для измерения влажности кормов.

По результатам анализа и рассмотрения технологических схем заготовки кормов отмечено, что существует ряд нерешенных научно-исследовательских и инженерных проблем, связанных с измерением влажности трав в прокосах и валках в полевых условиях, указывается на необходимость использования более совершенных ПИП и повышения точности измерения влажности путем снижения влияния плотности растительного материала на результаты измерений. В связи с этим поиск конструктивных решений датчиков, позволяющих осуществлять контроль влажности кормов без отбора проб и нарушения целостности паковок, является перспективным.

Данная работа представляет собой экспериментально-теоретические исследования, направленные на выбор типа, обоснование основных параметров первичных измерительных преобразователей датчиков неразрушающего контроля и разработку полевого микропроцессорного влагомера.

На основании проведенного анализа состояния проблемы и изучения технологий заготовки объёмистых кормов как объекта измерения влажности и в соответствии с поставленной целью необходимо было решить следующие задачи:

- сформулировать основные требования к датчикам неразрушающего контроля влажности и метрологическим параметрам влагомера кормов;

- провести экспериментально-теоретическое обоснование и расчет геометрических и электрических параметров первичных измерительных преобразователей прибора;

- экспериментально исследовать частотно - влажно-стные характеристики ряда основных травяных кормов с использованием различных типов ПИП в производственно необходимом диапазоне изменений влажности и в широком интервале частот электрического поля;

- экспериментально исследовать взаимосвязь электрических и физико-мехаиических свойств некоторых растительных материалов;

- изыскать технические решения снижения влияния плотности материала на результаты измерения влажности;

- разработать образец прибора, провести его испытания и дать технико-экономическую оценку его использования при заготовке кормов.

В главе 2 «Экспериментально-теоретическое обоснование параметров полевого влагомера кормовых материалов» определены условия проведения измерений и даны технические предпосылки выбора измерительных преобразователей для неразрушающего контроля влажности трав в прокосах и валках, обоснованы их конструктивные и метрологические параметры исходя из технологических требований.

Отмечена значимость влажности верхнего слоя травы в ускорении процесса сушки и своевременном проведении операций ворошения или сгребания сена. Предложено для измерения влажности верхнего слоя растительного материала в прокосах и валках использовать ПИП компланарного (накладного) типа, позволяющие за счет одностороннего контакта с измеряемым материалом осуществлять

контроль влажности трав в прокосах и валках без нарушения целостности укладки и без отбора и подготовки проб.

Ввиду того, что сушка трав происходит с явно выраженной неравномерностью влажности верхних и нижележащих слоев, необходимо контроль влажности производить не только поверхности материала, но и на некоторой глубине. Обоснована представительная глубина (И) зоны контроля, которая имеет граничные размеры (в мм) в виде неравенства: 20 < к < 50, где левая часть неравенства характеризует толщину слоя зоны сушки, а правая отражает минимальную толщину слоя материала в прокосе. Для одновременного удовлетворения требованиям неравенства принята глубина зоны контроля, равная 30 мм.

Анализ известных компланарных ПИП показал, что на результаты измерений влажности существенно влияют анизотропия растительного материала и неровность поверхности травы, уложенной на стерне.

С учётом вышеперечисленных особенностей растительного материала как объекта измерения и для снижения влияния анизотропии растительного материала была рассмотрена конструкция трехэлектродного измерительного преобразователя с несимметрично расположенными кольцевыми электродами. В данном измерительном преобразователе силовые линии электрического поля охватывают слои контролируемого материала, расположенные не только в непосредственной близости к плоскости электродов, но и на некоторой глубине.

Для расчета параметров компланарных датчиков используются методы конформных отображений и интегральных уравнений.

Указанные методы довольно сложны и позволяют определять начальную электрическую емкость по известным или заданным геометрическим размерам электродной системы. В нашем случае задача расчета параметров изме-

рительного преобразователя намного сложнее, поскольку размеры электродов заранее неизвестны.

Выбор геометрических размеров трехэлектродного несимметричного измерительного преобразователя производили по условию одинакового распределения зарядов и соответственно равенства площадей разнополярных электродов путем варьирования их шириной и межэлектродным расстоянием. Расчет численных значений параметров трехэлектродного ПИП осуществляли путем решения системы уравнений:

2 а + £2+Ь + е1+г = 11 (Ь + 2£1 +2 а + 2 г)Ь = а(К + г)

где а - ширина низкопотенциального электрода, Ь — ширина высокопотенциального электрода, £х и £2 - межэлектродные расстояния, г — внутренний радиус высокопотенциального электрода, Я - внешний радиус датчика.

По результатам расчёта было изготовлено восемь измерительных преобразователей, размеры которых удовлетворяли условиям: г > а и Ъ > а. Выбор оптимальных параметров измерительного преобразователя осуществляли из условия обеспечения максимальной чувствительности к изменению влажности растительного материала и наименьшего влияния неровности его укладки в слое.

Проведенные испытания несимметричных компланарных ПИП показали, что с увеличением межэлектродного расстояния их чувствительность к влажности материала уменьшается. В дальнейших исследованиях использовали измерительный преобразователь со следующими геометрическими размерами: ¿7=10; Ь-21,5; ¿',=2; ¿2=10 мм, чувствительность которого к влажности материала по сравнению с остальными в 2 раза выше. Было установлено, что глубина проникновения силовых линий электрического поля измерительного преобразователя функционально за-

висит от влажности контролируемого материала. Данная особенность будет отрицательно влиять на достоверность результатов измерений. На грубостебельных материалах, таких как клевер, наблюдалась значительная нестабильность результатов измерений электрической емкости (С). Анализ причин вариабельности С показал, что, несмотря на использование системы электродов с разным межэлектродным расстоянием, значительная часть силовых линий идет главным образом через близлежащие к поверхности электродов преобразователя слои растительного материала. Поэтому нестабильность результатов измерений электрической емкости будет тем больше, чем большей будет неровность укладки верхнего слоя травы под плоскостью электродов.

Для снижения влияния состояния и укладки травы в приэлектродной зоне на результаты измерений была исследована конструкция двухэлектродного компланарного измерительного преобразователя с охранным электродом (рис. 2).

Рис. 2. Общий вид и расчетная схема ПИП с охранным электродом:

1 - диэлектрическое основание, 2 — высокопотенциальный измерительный электрод, 3 — низкопотенциальный электрод, 4,5 — охранные электроды.

к

к

н

Расчет радиусов электродов выполнен на основе геометрических построений полуокружностей областей А, В, С с заданной глубиной зоны контроля. Для исключения влияния неровности поверхности растительного материала на результаты измерений размер радиуса зоны А был принят равным диаметру стебля травы 6 мм. Радиус Яс области С был принят равным толщине слоя зоны сушки скошенного растительного материала, т.е. /?с = 30 мм. Минимальная ширина зазора (г) между измерительным и охранными электродами была принята 0,5 мм. Для снижения влияния внешних помех ширина второго охранного электрода и соответственно радиус датчика Л5 увеличены на 5 мм.

Тогда из условия равенства площадей электродов имеем:

-Ч,'-**^. (2)

Так как Яв = Яо+Кс, то после подстановки уравнение (2) примет следующий вид:

_ Ло+Лс-5

До- (3)

25

откуда базовый радиус = ^^ =61 мм.

С учетом заданной глубины зоны контроля радиус датчика и соответственно внешний радиус второго охранного электрода будут равны: Л5 = Ио+Яс = 91 мм.

Внутренний радиус первого охранного электрода и внешний радиус низкопотенциального электрода будут соответственно равны:

Л2= = 62,5мм

л (4)

Л] --^ = 59,5 мм.

Внутренний радиус высокопотенциального (измерительного) электрода с учетом радиуса области А составит: Л3=Ло+Ла= 67 мм.

Ширину первого охранного электрода -£\ определим из

р

следующего выражения: = —А. + г + откуда ¿1=4 мм, тогда ширина второго охранного электрода будет равна: ¿2 = ¿1+5 = 9 мм.

Радиус зоны В из геометрических построений будет равен: Яв = Лс ~ ¿2 - г = 20,5 мм.

Величина позволяет определить внешний радиус измерительного электрода: /?4=Т?о+^в= 81,5 мм.

Проведенные испытания данного компланарного датчика показали, что его чувствительность к влажности имеет экстремальный характер при высоте слоя порядка 28...30 мм.

Проектирование и создание конструкций измерительного преобразователя для контроля влажности прессованных материалов с ярко выраженной неоднородностью плотности в паковках и рулонах основывалось на топологии электрического диполя. На его базе формировали измерительные преобразователи многополярной структуры, содержащие два или несколько знакопеременно заряженных электродов рассеянного или сосредоточенного поля. Анализ конструкций ПИП позволил выбрать шесгиэлек-тродный преобразователь рассеянного поля со знакопеременными штыревыми электродами и преобразователь зон-довот типа.

С использованием известного решения для потенциала поля точечного заряда и принципа суперпозиции проведен расчет электрических параметров измерительного преобразователя, состоящего из шести знакопеременных электродов. Для электродов длиной € получено уравнение за-

висимости электрической емкости от радиуса электрода г и межэлектродного расстояния Я:

п _ Зререг

>Ш

(5)

Проведен теоретический анализ взаимодействия зон-дового конусного электрода с прессованным растительным материалом, исходя из минимальной величины усилия его заглубления и геометрических размеров, не приводящих к увеличению погрешности измерения влажности.

Усилие внедрения зондового датчика в прессованный материал (рис. 3) можно представить как сумму двух усилий:

^ = ^к + /^ц, (6)

где /<к — усилие внедрения конической части, Н;

/щ — усилие внедрения цилиндрической части зонда, Н.

LF

Рис. 3. Схема сил, действующих при заглублении зондового ПИП в прессованный материал. Получено уравнение зависимости усилия внедрения зондового электрода от основных размеров конусного электрода:

^ = <х0 ^ (1 + /с18а)+/ахжИ1, (7)

где с1- диаметр цилиндрической части зонда, а - угол конусности зонда, А - толщина слоя,/- коэффициент трения, сто - удельное сопротивление вдавливанию конуса в тюк сена, (Т\ — удельное нормальное давление со стороны травы на цилиндрическую поверхность датчика.

Из уравнения следует, что усилие внедрения конической части зависящее главным образом от диаметра электрода с/ и угла заострения его конусной части 2а, будет тем больше, чем меньше угол. Вторая составляющая уравнения Fц - прямо пропорционально зависит от диаметра электрода с/, толщины слоя А прессованного материала (длины € электрода заглубляемого в материал) и его физико-механических свойств. При заданных значениях диаметра и длины электрода усилие, приходящееся на заглубление его цилиндрической части, будет постоянным.

В главе 3 «Программа и методика экспериментальных исследований» описана структура экспериментальных лабораторных и полевых исследований, приведены разработанные и стандартные методики определения электрофизических свойств травяных кормов методом не-разрушающего контроля и используемая измерительная аппаратура.

Исследования проводили на экспериментальных лабораторных установках (рис. 4), включающих измеритель добротности Е4-7, устройства и механизмы взаимодействия ПИП с исследуемым материалом.

Программой исследований предусматривалось также проведение градуировочных работ влагомера на образцах рассыпного и прессованного сена естественной влажности и разработка способа компенсации влияния плотности материала на результаты измерений влажности.

Методикой исследований предусматривалось получение следующих зависимостей, которые в общем виде можно записать как:

С=/(Ж, Г, р, К),

где С- электрическая емкость материала, пФ; ¡V- влажность растительного материала, %; F - частота измерений, МГц; р - плотность прессованного сена, кг/м3; К- культура (злаковые, бобовые травы).

(8)

Рис. 4. Общий вид лабораторной установки для исследования ЭФС кормовых материалов компланарным и многоштыревым ПИП:

1 - измеритель добротности,

2 - . компланарный датчик,

3 - основание, 4 - стойки,

5 - верхняя крышка,

6 - микроме!рический винт,

7 - уплотняющая плита,

8 - растительный материал,

9 — катушка индуктивности.

1- измеритель добротности, 2 - основание, 3 - стойки,

4 ~ подвижная лланка,

5 - пластмассовый контейнер,

6 - многоштыревой ПИП,

7 - направляющая втулка,

8 - стеклянный сосуд,

9 - катушка индуктивности.

В главе 4 «Результаты исследований электрофизических свойств травяных кормов» изложены результаты экспериментальных исследований, приведены частотно-влажностные характеристики некоторых травяных кормов, сделан выбор рабочей частоты измерительной схемы прибора. На рисунке 5 показана типичная зависимость электрической емкости от влажности травы овсяницы, полученная на разных частотах.

С, пф 110 90 70 50 30

20 30 40 50 60 И\М

Рис. 5. Зависимость электрической емкости от влажности травы овсяницы на частотах 2 н 12 МГц.

На частоте 2 МГц в диапазоне 20...40 % влажности чувствительность составляет 0,31 пФ/%, а на частоте 12 МГц — 0,11 пФ/%, т.е. в 3 раза ниже. Поэтому дальнейшие исследования и разработку измерительной схемы влагомера кормовых материалов проводили на частоте 2 МГц.

По результатам исследований ЭФС смеси злаковых трав компланарным преобразователем с охранным электродом получено линейное уравнение зависимости электрической емкости от влажности травы С=/(ТУ), которое в исследуемом диапазоне измерений влажности характеризует достаточно высокую чувствительность к влажности измеряемого материала. В работе исследуется влияние плотности (р) измельченной травы овсяницы на электрическую емкость (С) преобразователя с охранным электродом на всех уровнях влажности при изменении плотности материала на 60 кг/м3.

Обработка экспериментальных данных позволила получить зависимость С=/(р,Ж) в виде следующего уравнения: С=15,3-0,155/з+0,0079/> Ж-0,0049 IV2. (9)

Из полученного уравнения видно, что рост электрической емкости в большей мере зависит от уровня влажности, чем от плотности травы. Данное уравнение показывает

количественную значимость влияния плотности травы, особенно при высокой влажности.

Для шестиэлектродного ПИП получено уравнение зависимости электрической емкости С ежи сборной от ме-жэлекгродного расстояния £. Кривые были аппроксимированы выражением:

С = аГв, (10)

где а, в — постоянные, зависящие от влажности травы.

Анализ экспериментальных данных позволил определить оптимальное межэлектродное расстояние, равное 20 мм.

Экспериментальные исследования по уточнению геометрических размеров зондового датчика и разработку устройства компенсации плотности растительного материала проводили на лабораторной установке, состоящей из прямоугольной камеры размером 200x200x400 мм и металлического штатива, на котором была вертикально закреплена цилиндрическая камера с поршнем и штоком, свободно перемещающимся в ней. К концу штока через резьбовое соединение прикрепляли исследуемые зондовые электроды. Длина зондового электрода составляла 185 мм. Пробу растительного материала с известной массой и влажностью послойно и равномерно загружали в прямоугольную камеру и закрывали крышкой с отверстием в центре. На поршень устанавливали грузы калиброванной массы и определяли величину прикладываемого усилия по мере заглубления зонда.

Исследования проводили на смеси злаковых трав влажностью 16,4 %. Изменение плотности материала в прессовальной камере в диапазоне от 100 до 160 кг/м3 с интервалом в 20 кг/м3осуществляли путем увеличения массы загружаемой в камеру пробы сена.

Были получены зависимости усилия заглубления датчика в растительный материал с разной плотностью от

угла при вершине конуса Г=У(2а). Установлено, что характер изменения усилия заглубления от угла конусности одинаков - с увеличением угла от 10 до 22° значение усилия заглубления снижается. Наиболее полно удовлетворяет требования зондовый датчик с углом при вершине конуса, равным 22

Взаимосвязь р и F при разных углах конусности (рис. 6) характеризуется тем, что в зависимости от угла при вершине конуса зондового электрода кривые имеют разный наклон.

л

1 //у

И 100 120 14« Ш р. иг/и'

Рис. б. Взаимосвязь плотности материала от усилия заглубления зондового электрода датчика при различных углах конуса.

Как видно из рисунка, угол при вершине конуса в 22° удовлетворяет следующим условиям — достаточной чувствительностью и стабильностью результатов измерений, а также оптимальной величиной значений прикладываемого усилия.

Обработка серии экспериментальных данных, полученных с использованием зондового электрода с углом в 22°, позволила в диапазоне изменения плотности смеси злаковых трав от 100 до 160 кг/м3 получить зависимость плотности (р) от усилия заглубления (Р) линейного вида: р = 3,8б.Р+ 91,2. (11)

Знание плотности материала позволяет компенсировать ее влияние путем введения соответствующей поправ-

ки в результаты измерений влажности прибором, .что повышает точность результатов измерений. Полученное выражение имеет также важное практическое значение, так как позволяет по величине усилия заглубления зондового электрода влагомера в тюк прессованного сена определять его плотность.

В главе 5 «Разработка микропроцессорного полевого влагомера» дано обоснование структурной и параметрической схемы влагомера блочно-модульного построения. Разработана функциональная схема преобразования трех информационных параметров по каналам влажности, температуры и усилия (плотности) в частотные сигналы.

Предложен алгоритм работы контроллера в режиме измерения и градуировки. В соответствии с алгоритмом контроллер осуществляет автоматическое управление режимами работы, приема, обработки и отображения информации на жидкокристаллическом дисплее. Режим градуировки позволяет самостоятельно получить дополнительную градуировку на требуемом растительном материале.

Разработана версия прикладного программного обеспечения прибора, предусматривающая возможность работы контроллера с набором из четырех датчиков.

Приведены результаты градуировки образца микропроцессорного прибора в производственных условиях на злаковых травах. Полученные градуировочные зависимости в исследуемом диапазоне влажности имеют линейный характер, достаточно высокую чувствительность. к влажности измеряемого материала и обеспечивают заданный агротехническими требованиями диапазон измерения влажности трав. Отмечается простота осуществления не-разрушающего контроля влажности трав в прокосах и валках.

Эффективность отстройки от влияния зазора между

преобразователем и объектом контроля и неровностей поверхности измеряемого растительного материала, а также влияния плотности материала достигнута за счет комплексного использования конструктивно-технологических особенностей датчиков и алгоритмических методов обработки результатов измерений.

Приведена технико-экономическая оценка перехода на инструментальные методы оперативного контроля влажности. Результаты расчетов и производственные испытания доказывают экономическую эффективность применения прибора при заготовке кормов.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Оперативная информация о влажности растительного материала является определяющим фактором обеспечения качественного ведения технологических операций.

2. Обоснован блочно-модульный принцип построения прибора, основанный на диэлькометрическом методе измерения влажности.

3. На частоте 2 МГц для злаковых и бобовых трав зависимость электрических свойств при изменении влажности от 15 до 75 % и плотности от 30 до 160 кг/м3 в большей мере определяется влажностью и характеризуется стабильностью результатов измерений.

4. Для снижения погрешности измерения влажности трав в прокосах и валках обоснована необходимость использования компланарного датчика с охранным электродом, размеры электродной системы которого рассчитаны на глубину зоны контроля 30 мм, с рекомендуемым диапазоном измерения влажности от 35 до 75 %.

5. Установлены следующие метрологические характеристики прибора: диапазон измерения влажности от 15 до 75 %; основная абсолютная погрешность измерения

влажности ± 2 % в диапазоне 15...35 % и ±4 % при влажности более 45 %.

6. Обоснованы конструкции датчиков для неразру-шающего контроля влажности прессованных материалов: шестиэлектродного — с диаметром игл 4 мм и межэлектродным расстоянием 20 мм и зондового — с диаметром электрода 20 мм и углом при вершине конуса 22°.

7. Получено аналитическое уравнение, устанавливающее линейную взаимосвязь усилия внедрения зондового датчика с плотностью прессованного сена.

8. Разработано устройство компенсации влияния плотности прессованного сена на результаты измерения влажности, обеспечивающее повышение точности прибора, защищенное патентом РФ № 1816107.

9. Прибыль от использования одного прибора составила порядка 4145 руб. в год.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах

1. Третьякова Т.В., Пугачев П.М., Левитова H.JI. Влияние плотности прессования кормовых трав на показания электрических влагомеров // Сб. научных трудов. М.: ВИМ, 1989. Т. 122. С.89-98.

2. Пугачев П.М., Секанов Ю.П. Использование компланарных датчиков для измерения влажности с.-х. материалов // Автоматизация производственных процессов в сельском хозяйстве. - М„ 1994. - С.99-100.

3. Пугачев П.М., Секанов Ю.П., Кудрявцев П.Н. Полевой универсальный анализатор технологических параметров сыпучих и волокнистых материалов // Автоматизация производственных процессов в сельском хозяйстве. - М.: ВИМ, 1995. — С. 140-141.

4 Секанов Ю.П., Пугачев П.М., Левина Н. С., Шалаева Л. А. Научные основы развития технической базы информационного обеспечения технологических процессов в растениеводстве //Техника в сельском хозяйстве. - 2004,- №6. - С. 60 - 66 .

5. Пугачев П.М., Секанов Ю.П., Кудрявцев П.Н., Леонов С.А. Обоснование параметров первичного измерительного преобразователя влагомера сена // Автоматизация сельскохозяйственного производства. - М.: ВИМ, 1997. - Т.2. - С. 98-99.

6. Пугачев П.М., Шалаева Л.А. Выбор некоторых параметров зондового датчика полевого влагомера сена // Научные труды ВИМ. - М.: ВИМ, 2001. - Т. 134. - 4.2. - С. 120-128.

7. Секанов Ю.П., Пугачев П.М., Левина Н.С. О состоянии влагометрии волокнистых материалов // Автоматизация сельскохозяйственного производства: Сб. докл. междунар. науч.-техн. конф. ВИМ. - М.: ФГУП Изд-во «Известия», 2004. - 4.2. -С.367-373.

8. Секанов Ю.П., Левина Н.С., Пугачев П.М. Погрешности термогравиметрических установок при определении влажности травяных кормов // Проблемы разработки автоматизированных технологий и систем автоматического управления с.-х. производства: Сб. докл. междунар. науч.-техн. семинара. - М., 2002. -С.207-210.

9. Пугачев П.М., Левина Н.С., Секанов Ю.П., Шалаева Л.А. Сорбционно-емкостные датчики в информационно-измерительных системах // Автоматизация сельскохозяйственного производства: Сб. докл. междунар. науч.-техн. конф. ВИМ. - М.: ФГУП Изд-во «Известия», 2004. - 4.2. - С.359-367.

10. Секанов Ю.П., Измайлов А.Ю., Пугачев П.М. Влаго-термометрия в процессах управления сушкой и активным вентилированием сыпучих и волокнистых растительных материалов // Современные энергосберегающие тепловые технологии (СЭТТ — 2005). — М.: Изд-во ВИМ, 2005. - Т. 2 - С. 319-323.

11. Устройство для определения влажности волокнистых и сыпучих материалов на ленте транспортера: A.C. 1492257 СССР /Ю.П. Секанов, П.М. Пугачев и др. - Бюл. №25. - 1992. -2 с.

12. Влагомер прессованных волокнистых материалов: Патент РФ 1816107 /Ю.П. Секанов, П.М. Пугачев, Е.В. Середа и др. - Бюл. №35. - 1996 - 3 с.

Редакционно-издательский отдел ГНУ В ИМ

Подписано к печати 21.06.06. Форм. бум. 60x90 1/16 Объем 1,5 п.л. Заказ № 21. Тираж 100 экз.

Типография ГНУ ВИМ 109428 Москва, 1-й Институтский проезд, 5

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ

ПРИ ЗАГОТОВКЕ ОБЪЁМИСТЫХ КОРМОВ.

1.1. Технологические требования к уровню влажности заготавливаемых кормов как основа разработки полевого влагомера.

1.2. Обзор методов и конструкций датчиков технических средств измерения влажности кормовых материалов.

1.3. Методы прогнозирования влажности по математическим моделям полевой сушки трав.

1.4. Электрофизические характеристики кормовых материалов.

1.5. Выводы. Цель и задачи исследований.

Глава 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПОЛЕВОГО ВЛАГОМЕРА КОРМОВЫХ МАТЕРИАЛОВ.

2.1. Технологические требования к метрологическим параметрам полевого прибора для измерения влажности трав.

2.2. Обоснование параметров датчиков для измерения влажности рассыпного и прессованного сена.

2.2.1. Определение геометрических и электрических параметров компланарного датчика.

2.2.2. Расчет параметров шестиэлектродного датчика.

2.2.3. Расчет геометрических параметров датчика зондового типа.

Глава 3. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ.

3.1. Программа исследований.

3.2. Описание экспериментальной лабораторной установки.

3.3. ОДетодика проведения лабораторных и полевых исследований.

3.4. Измерительная аппаратура. it 3.5. Порядок проведения измерений электрических параметров травяных кормов и обработка результатов.

Глава 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ

• СВОЙСТВ ТРАВЯНЫХ КОРМОВ.

4.1. Экспериментальное исследование частотно-влажностных характеристик травяных кормов.

4.2. Исследование электрофизических свойств кормов с использованием компланарных измерительных преобразователей.

4.3. Исследование электрофизических свойств кормов зондовыми ПИП.

4.3.1. Выбор оптимального межэлектродного расстояния шестиэлектродного измерительного преобразователя.

4.3.2. Исследование влияния плотности прессования травяных кормов на электрические параметры зондовых ПИП.

4.4. Выбор параметров зондового датчика и разработка устройства компенсации плотности растительного материала.

4.4.1. Разработка и техническая реализация устройства компенсации.

4.4.2. Экспериментальные исследования по выбору параметров зондового датчика.

Глава 5. РАЗРАБОТКА МИКРОПРОЦЕССОРНОГО ПОЛЕВОГО

ВЛАГОМЕРА.

Ф 5.1. Обоснование структурной и параметрической схем прибора.

5.2. Результаты испытаний и градуировочные характеристики прибора на рассыпном и прессованном сене.

5.3. Технико-экономическая оценка использования прибора для оперативного контроля влажности при заготовке кормов.

В кормовом балансе животноводства России порядка 60% занимают объемистые корма в виде сена, силоса и сенажа. Современное состояние с заготовкой объемистых кормов можно охарактеризовать значительными потерями питательных веществ и низким качеством готового корма. Из общего количества потерь питательных веществ, которое в среднем составляет 30-32 %, свыше 20 % относится к разряду неустранимых, остальные потери связаны с нарушением технологии заготовки и хранения кормов [47]. Изучение факторов, влияющих на возникновение потерь питательных веществ, позволяет отметить, что значительная часть этих потерь связана с нарушением агротехнических требований к влажности травяных кормов при выполнении технологических операций [7, 9, 24, 39, 50, 79, 84]. Знание и достоверная оценка влажности трав в полевых условиях имеет исключительное значение, поскольку на основе информации о влажности принимаются оперативные решения о проведении всех без исключения технологических операций заготовки кормов: в прокосах, валках, копнах, стогах, скирдах, тюках и рулонах. Применение используемого в кормопроизводстве воздушно-теплового метода определения влажности сена из-за длительности анализа, составляющего до четырех и более часов, не позволяет оперативно использовать полученные результаты для управления технологией заготовки кормов в реальном времени. В результате чего нарушается технологический процесс равномерной сушки: происходит пересыхание верхнего слоя травы, что при ее последующем подборе приводит к значительным потерям листовой части. Следствием всего является увеличение длительности нахождения травы в поле и снижение качества готового сена. Следовательно, для своевременного выполнения технологических операций необходимо использование технических средств оперативного контроля влажности трав в полевых условиях.

В настоящее время в агропромышленном комплексе наблюдается острый дефицит полевых влагомеров кормовых материалов, так как имеющиеся в хозяйствах страны средства контроля влажности морально устарели и не отвечают современным технологиям заготовки кормов [79, 81, 83]. При их использовании требовалось осуществлять в полевых условиях такие трудоемкие операции как отбор проб, их измельчение и засыпку в измерительный преобразователь коаксиального типа. Выполнение этих операций значительно снижало быстродействие, точность и достоверность результатов измерений, а также удобство прибора в эксплуатации. В литературе достаточно полное освещение получили вопросы создания влагомеров с пробоподготов-кой измеряемого материала [64, 78, 79, 88, 105]. Вопросы создания приборов, не требующих такой подготовки материала, отражены в научной литературе недостаточно. Вместе с тем, в технологии заготовки объмистых кормов, а также при заготовке прессованного сена, использование последних дает существенное преимущество. Это обстоятельство определило выбор направления научных исследований. Данная работа посвящена теоретическому и экспериментальному обоснованию основных метрологических и конструктивных параметров и разработке прибора для оперативного неразрушающего контроля влажности кормов при заготовке. Анализ состояния средств измерения влажности кормовых материалов показывает, что в области обоснования типа и расчета основных параметров первичного измерительного преобразователя пока еще существует много нерешенных научно - исследовательских и инженерных проблем. В этой связи предусматривается выполнение следующих этапов работ:

- выбор типа и обоснование параметров датчиков прибора для неразрушающего контроля влажности кормов;

- создание влагомера блочно-модульного построения для оперативного неразрушающего контроля влажности различных кормовых материалов.

Анализ существующих средств контроля влажности выявил отсутствие достаточно простых по конструктивному исполнению и удобных при измерении влажности датчиков. Исходя из технологических особенностей сушки трав в полевых условиях, решить проблему измерения влажности растительных материалов в прокосах и валках, рассыпного и прессованного сена без отбора и подготовки проб предлагается путем использования измерительных преобразователей неразрушающего контроля компланарного (накладного) и зондового типа [21,43, 73, 75,79,94].

В работах ряда авторов, посвященных вопросам исследования электрических характеристик и свойств кормов растительного происхождения, наблюдаются существенные различия по частотному диапазону измерений и по результатам исследований [16, 22, 32, 79, 88, 90, 91, 92]. Такой разброс в значениях экспериментальных исследований и частотном диапазоне указывает на недостаточную изученность этого вопроса и недоработку методических решений проведения исследований на измельченном и не измельченном растительном материале. В этом направлении показана целесообразность использования рабочей частоты порядка 2МГц, на которой наблюдается достаточно высокая чувствительность к влажности и стабильность результатов последовательных измерений. Приводятся результаты экспериментальных исследований электрофизических свойств кормовых материалов методом неразрушающего контроля влажности в широком диапазоне частот. Получены расчетные формулы и градуировочные уравнения.

Повышение точности измерений влажности достигнуто за счет комплексного использования конструктивно-технологических решений первичных измерительных преобразователей неразрушающего контроля влажности и алгоритмических методов обработки информации по каналам - влажность, плотность, температура. Для компенсации влияния плотности растительного материала предложено техническое решение, реализованное в разработанном приборе (патент РФ № 1816107).

Разработка и создание прибора блочно-модульного построения для оперативного контроля влажности травяных кормов велась с использованием современной электронной базы и микропроцессорной техники [34, 74]. На защиту выносятся следующие основные положения работы: - тенденции развития средств контроля влажности кормов и метод неразрушающего контроля влажности трав в прокосах, валках, тюках, рулонах и др.;

- научно-обоснованные технические решения, используемые при выборе и расчете конструкционных и электрических параметров первичных измерительных преобразователей неразрушающего контроля влажности в полевых условиях;

- результаты исследований электрофизических свойств, частотно-влажностные характеристики кормовых материалов, полученные на измерительных преобразователях компланарного и зондового типа;

- результаты экспериментальных исследований опытных образцов и оценка их метрологических показателей;

- практическая реализация полевого микропроцессорного влагомера блочно-модульного построения и технико-экономическая эффективность его применения при контроле влажности в процессе заготовки кормов.

На основании рассмотренных теоретических и экспериментальных исследований в лаборатории автоматизации стационарных технологических процессов в растениеводстве ГНУ ВИМ был создан опытный образец микропроцессорного прибора, который с положительными результатами в производственных условиях хозяйства Московской области позволял вести оперативный контроль влажности на всех технологических операциях заготовки силоса, сенажа и сена. Практика показала, что использование прибора позволило повысить точность учета количества и определения стоимости заготовленного сена, снизить его потери вследствие порчи или пересушки в поле и неизбежных механических потерь при уборке.

Исследования проводились по тематическим планам научно - исследовательских работ ВИМ, ряду заданий и комплексных межотраслевых программ на 1998.2005гг., а также Федеральной Государственной программы машиностроения для АПК России.

1.5. Выводы. Цель и задачи исследований

1. Системный анализ процессов заготовки объемистых кормов и технологических операций показал на необходимость измерения влажности трав перед скашиванием, в прокосах и валках, при заготовке силоса, сенажа, рассыпного и прессованного сена. Своевременность проведения технологических операций является определяющим условием снижения потерь питательных веществ и получения кормов высокого качества.

2. Проведенный анализ литературных источников по методам измерения влажности трав в полевых условиях показывает, что одним из наиболее эффективных путей получения экспрессной информации о влажности заготавливаемых кормов следует считать диэлькометрический метод. Возможности измерения широкого перечня кормовых материалов, различающихся по диапазону влажности, физико-механическим свойствам, являются достаточно вескими аргументами, позволяющими данный метод использовать при разработке полевого влагомера кормовых материалов.

3. Измерение влажности трав при заготовке сена, силоса и сенажа осуществлялось влагомерами с датчиками коаксиального типа. Необходимо отметить методическую трудность применения таких влагомеров, связанную со сложностью и трудоемкостью отбора проб материала из прокосов, валков, скирд, тюков, а также последующим её измельчением перед проведением измерения влажности на влагомере.

4. Исходя из технологических особенностей полевой сушки трав в прокосах и валках, для измерения влажности трав без отбора проб и нарушения целостности ее укладки более приемлем метод неразрушающего контроля, который может быть реализован в компланарной конструкции датчика.

5. Перспективным конструкционным решением измерительного преобразователя, обеспечивающего контроль влажности прессованного сена, является зондовая конструкция датчика. Важным направлением повышения точности измерений влажности прессованных материалов должно быть увеличение объема контролируемого материала и разработка устройств компенсации влияния плотности измеряемого материала.

6. Оценивая результаты исследований по ЭФС кормовых материалов, следует отметить значительные различия в экспериментальных данных. Несмотря на значительное количество публикаций, столь широкий частотный диапазон, рекомендуемый авторами для разработки электрических измерительных схем влагомеров, показывает на недостаточную изученность этого вопроса. ЭФС растительного материала в не измельченном состоянии с использованием метода неразрушающего контроля в производственно необходимом диапазоне изменений влажности и плотности травяных кормов изучены в недостаточном объеме.

7. Анализ технических средств измерения влажности травяных кормов показал, что за последние 10 лет в России серийное производство полевых влагомеров кормовых материалов не проводилось. Создание влагомера по блочно-модульному принципу построения, включающего в себя МП контроллер и набор датчиков, позволит решать большой перечень задач контроля технологических параметров, не увеличивая при этом номенклатуру кормовых влагомеров специализированного применения. Такое построение влагомера упрощает решение ряда таких задач, как поверка, настройка и ремонт в условиях эксплуатации, а также имеет предпочтение и в стоимостном выражении.

В этой связи целью диссертационной работы является обоснование типа, параметров и разработка прибора для оперативного неразрушающего контроля влажности травяных кормов, способствующего повышению их качества и эффективности ведения технологии заготовки кормов.

На основании проведенного анализа состояния проблемы и изучения технологических аспектов заготовки объёмистых кормов как объекта измерения влажности для осуществления поставленной цели необходимо решение следующих задач:

- сформулировать основные требования к датчикам неразрушающего россииская государственная

41 библиотека контроля влажности и метрологическим параметрам влагомера кормов;

- провести экспериментально - теоретическое обоснование и расчет геометрических и электрических параметров первичных измерительных преобразователей прибора;

- экспериментально исследовать частотно - влажностные характеристики травяных кормов с использованием различных типов первичных измерительных преобразователей в производственно необходимом диапазоне изменений влажности и широком интервале частот электрического поля;

- экспериментально исследовать взаимосвязь электрических и физико-механических свойств некоторых растительных материалов;

- изыскать технические решения снижения влияния плотности материала на результаты измерения влажности;

- разработать опытный образец прибора и дать технико-экономическую оценку его использования при заготовке кормов.

Глава 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПОЛЕВОГО ВЛАГОМЕРА КОРМОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

2.1. Технологические требования к метрологическим параметрам полевого прибора для измерения влажности трав

К основным метрологическим параметрам разрабатываемого влагомера как средства измерения, согласно [13], относятся: диапазон и погрешность измерения влажности.

При обосновании диапазона измерений влажности руководствовались следующим. Влажность свежескошенной травы при уборке ее в соответствии с агросроками может изменяться по данным многих исследователей в диапазоне 60.85 %, причем более высокие значения влажности характерны в основном для бобовых трав (клевер, люцерна и др.) в ранней фазе вегетации. Статистическая обработка многолетних результатов определения влажности, полученных с использованием сушильных шкафов СЭШ-ЗМ, позволила определить, что мода полигона влажности в период скашивания трав соответствует 72.75 %. Исходя из этого, верхний предел диапазона измерений влажности может быть принят равным 75 %. Данная величина влажности не вступает в противоречие с требованиями к уровню влажности растительной массы при ее закладке на силос, а также при высокотемпературной сушке. Все последующие технологические операции (ворошение, сгребание), а также технологии заготовки сенажа и сена производятся при влажности менее 70 %. Нижняя граница диапазона измерения должна соответствовать величине влажности готового сена и быть равной 17. 18%. Рассмотрение технологий приготовления кормов, включая корма искусственно высушенные, показало, что этот диапазон составляет 14.22 % влажности. Однако на практике из-за несовершенства технологических процессов сушки трав имеет место их пересушка на 2.3, а иногда и более процентов. Поэтому нижний предел диапазона влажности для полевых влагомеров сена может быть принят порядка 10%.

Погрешность измерений влажности полевого влагомера (Апв) должна отвечать требованиям, предъявляемым к точности измерения влажности при организации ритма работы кормоуборочных машин, выполняющих операции ворошения, сгребания, прессования и т.д.

Граничные значения погрешности измерений (АПВ) можно записать следующим образом:

Аэ<Апв<Атехн. (2.1)

Для условий заготовки кормов, регламентируемых действующими стандартами, максимальную величину значения технологической погрешности Атех„ определяли исходя из рекомендуемых значений верхних и нижних интервалов влажности (\УНижн--^верх), а также с учетом неоднородности травы по влажности в процессе сушки. Причем доминирующей составляющей в АТехн является величина погрешности, обусловленная неравномерностью и невыравненностью по влажности растительного материала в процессе сушки.

Из обзора технических характеристик влагомеров, приведенных в первой главе, видим, что погрешность измерения на кормовых материалах с влажностью до 50 % составляет ±1.2 % и от ± 3 до ± 5 % на материалах влажностью более 50%. Однако, погрешность, получаемая в процессе испытаний влагомеров, зачастую оказывается значительно выше приводимых значений погрешностей. Совершенно очевидно, что столь низкие значения погрешностей не учитывают реальных условий при измерении влажности провяленных трав: невыравненность по влажности ботанических составляющих растений и неравномерность их сушки.

Известно, что травы уже на корню имеют различную влажность, поэтому неизбежна значительная неоднородность по влажности свежескошен-ной растительной массы. В связи с большой неравномерностью густоты посева, влажностью составляющих и различной скоростью сушки, невыравненность по влажности наблюдается на протяжении всего периода сушки. Причем, разница по влажности тем больше, чем быстрее идет процесс сушки.

Наибольшая неравномерность по влажности растений в процессе полевой сушки наблюдается в диапазоне 35.45 %. Для обоснования погрешности измерения влажности (А) полевым влагомером с учётом реальных условий сушки были проведены измерения в указанном диапазоне влажности на смеси злаковых трав в девяти валках. Отбор проб производился из каждого валка, влажность определялась на сушильных шкафах в двух повторностях. При средней влажности травы на данном участке поля равной 36,6 %, влажность валков (в %) была следующая: 1 - 34,6; 2 - 46,8; 3 - 39,4; 4 - 40,9; 5 - 32,2; 6 - 34,4; 7 - 30,0; 8 - 36,2; 9- 35,0.

Как видно из приведенных данных разброс по влажности между валками составлял 16,8 %. Среднее квадратическое отклонение а =5,06%. Используя эти данные, найдем погрешность измерения влажности по формуле [23, 30]:

А = /у~, (2.2) л/и где: /у — распределение Стьюдента с числом степеней свободы к = п-1; п - количество измерений.

Тогда, с доверительной вероятностью у = 0,95 погрешность измерения будет равна: А = 2,31 • =3,9%.

Таким образом, точность, с которой была определена средняя влажность в валках, составляет ± 3,9 %. Данные расчета дают основание для установления предельных значений погрешности измерения для свежескошен-ных и подвяленных трав не более ± 4,0 %. Правомерно отметить, что чем меньше будет А, тем точнее будет оценка влажности.

Полученные нами значения А и сг подтверждают высокую степень неоднородности по влажности растительного материала в процессе сушки, что не позволяет иметь более низкую погрешность измерения влажности провяленных трав. Вместе с тем, численное значение А = ± 4,0 % не превышает рекомендуемых интервалов влажности, указанных в агротребованиях и ОСТах на корма. Иными словами, в этих документах допускается, что при провяливании трав имеет место значительная неравномерность по влажности и поэтому нецелесообразно полевым влагомером контролировать колебание влажности, имеющееся между валками. Исходя из этого, можно указать, что максимальное значение погрешности прибора А не должно превышать а по влажности трав в валках, т.е. величина А должна быть меньше 5 % влажности.

Величину минимального значения погрешности влагомера оценивали через ее энтропийное значение Аэ [51], которое связано со среднеквадратичным отклонением (сги) через энтропийный коэффициент - ¿^э=Кэ(7к. При расчете значений Аэ использовались результаты наших многолетних исследований по определению влажности трав в период заготовки кормов, полученные с использованием сушильных шкафов СЭШ-ЗМ, и результаты их статистической обработки.

В таблице 2.1 приведены результаты статистической обработки проведенных измерений влажности:- среднее значение размаха параллельных определений влажности (К) и её среднеквадратическое отклонение а. Для проведения анализа нами было выделено три характерных поддиапазона влажности:

- 10 - 35%, охватывающий заготовку всех видов сена;

- 35 - 55%, включающий сушку сена активным вентилированием, сгребание трав в валки и приготовление сенажа;

- 55 - 85%, ворошение, силосование.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Для обеспечения оптимальных режимов сушки трав в полевых условиях, своевременного выполнения технологических операций кошения, ворошения, сгребания, прессования, копнения и заготовки высококачественных кормов необходима оперативная информация о состоянии влажности растительного материала.

2. Проблема измерения влажности трав в прокосах, валках, тюках и рулонах без отбора и подготовки проб (неразрушающий контроль влажности) с различными физико-механическими свойствами определила необходимость блочно-модульного построения прибора с набором датчиков, основанного на диэлькометрическом методе.

3. Экспериментальные данные, полученные при исследовании ЭФС кормовых материалов в диапазоне частот 0,5. 15 МГц, показали, что электрические параметры трав изменяют свои значения в довольно широких пределах в зависимости от их влажности. Установлено, что на частоте 2 МГц для злаковых и бобовых трав при изменении влажности от 15 до 75% и плотноI сти от 30 до 160 кг/м зависимость изменения электрических свойств в большей мере определяется влажностью и характеризуется стабильностью результатов измерений.

4. Обосновано техническое решение неразрушающего контроля влажности трав в прокосах и валках датчиком компланарного типа с охранным электродом. Определены геометрические размеры его электродной системы с заданной глубиной зоны контроля влажности,составляющей 30 мм. Определена область рационального его применения - измерение влажности трав в диапазоне от 35 до 75%.

5. Экспериментально-теоретическими исследованиями установлены следующие метрологические характеристики влагомера кормов: диапазон измерения влажности от 15 до 75%; основная абсолютная погрешность измерения влажности должна составлять ± 2% в диапазоне 15.35% и ± 4% при влажности более 45%.

6. Для неразрушающего контроля влажности прессованных материалов предложены конструкции датчиков: шестиэлектродный, с диаметром игл 4 мм и межэлектродным расстоянием — 20 мм и зондовый датчик, состоящий из центрального штыревого электрода и окружающего его кольцевого электрода. Определены оптимальные конструктивные размеры зондового датчика, обеспечивающие максимальную чувствительность к влажности и минимальное усилие его внедрения в прессованный материал: диаметр штыревого электрода 20 мм, угол при вершине конуса - 22°.

7. Теоретически исследовано и экспериментально проверено, что взаимосвязь усилия внедрения зондового датчика с плотностью прессованного сена на участке от 100 до 160 кг/м3 и угле при вершине конуса 22° является линейной и имеет следующий вид: р = 3,86Р + 91,2.

8. Проанализированы способы и устройства компенсации влияния плотности материала на результаты измерения влажности кормовых материалов. Выявлены закономерности влияния плотности прессования растительного материала на информативный параметр влажности для различных типов датчиков. В опытном образце прибора разработано устройство измерения и компенсации влияния плотности прессованного сена на результаты измерения влажности, защищенное патентом РФ № 1816107.

9. Проведена технико-экономическая оценка перехода на инструментальные методы оперативного контроля влажности. Прибыль от использования одного прибора составила порядка 4145 рублей в год. Результаты проведенных расчетов и производственные испытания доказывают экономическую эффективность применения прибора при заготовке кормов.

1. Артемьев Б.Г., Голубев С.Н. Справочное пособие для работников метрологических служб. -М.: Изд-во стандартов, 1986. кн.1. - 288 с.

2. Атяскин О.П. К вопросу о выборе некоторых параметров зубьев напорного гидравлического грейфера для зачерпывания силоса //Тр. ин-та /Кубанский сельскохозяйственный институт. — Краснодарское книжное издательство, 1966. Вып. 14 (42). - С. 32-35.

3. Бальчунас Т. Математическая модель провяливания травы. Совершенствование процессов кормопроизводства //Сб. науч. тр. ин-та / Лит.НИИМЭСХ. Vilnius: "Mokslas", 1988. - N 20.- С. 14-22.

4. Берлинер М.А. Измерение влажности. М.: Энергия, 1973. - С. 37-41.

5. Бондарев В.А., Панов A.A. Методика полевых опытов по провяливанию и сушке трав на сено и сенаж. М.: Россельхозакадемия, 1994. - 11 с.

6. Бурдун Г.Д., Марков Г.Н. Основы метрологии. — М.: Изд-во стандартов, 1985. 256 с.

7. Валигура С.И. Влияние различных способов заготовки и типов хранилищ на качество сена //НТБ НИИ животноводства Лесостепи и Полесья УССР. Харьков, 1980. - Вып.29. - С. 40-43.

8. Валушис В.А. Основы высокотемпературной сушки кормов. М.: Колос, 1977. - 303 с.

9. Вернигор В.А. и др. Потери питательных веществ в процессе производства сенажа из люцерны с различной влажностью // Вестник сельскохозяйственных наук Казахстана. 1985. - № 4. - С. 52-53.

10. Вставский Д.Е. Определение частоты измерений датчика влажности кормовых материалов для агрегатов типа АВМ. Минск: ЦНИИМЭСХ. -Деп. Рукопись № 158/18-84.

11. Глухарев В.И. Повышение эффективности процесса погрузки и оптимизации параметров рабочего органа для захвата рулонов грубых кормов:

12. Автореферат дис. канд. техн . наук. Саратов, 1990. - 23 с.

13. Горячкин В.П. Собрание сочинений. М: Колос, 1968. -Т.1.-С. 211-217.

14. ГОСТ 8.009-84. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений. — М.: Изд-во стандартов.

15. ГОСТ 27262-87. Корма растительного происхождения. Методы отбора проб. М.: Изд-во стандартов.

16. ГОСТ 27548-87. Корма растительные. Методы определения влаги. -М.: Изд-во стандартов.

17. Грачёва Л.И., Меренбах Я.Ф. Электрофизические свойства кормов и их смесей //Механизация и электриф. социал. сел. хоз. М., 1975. - №10. -С. 22-24.

18. Грузинов В.П. Экономика предприятия (предпринимательская). — М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2002. 795 с.

19. Дубров Н.С., Кричевский Е.С., Невзлин В.И. Многопараметрические влагомеры для сыпучих материалов. М.: Машиностроение, 1980. - С. 54-57.

20. Евмененко Е.А. Выбор оптимальных частот измерителя влажности льновороха //Механизация и электрификация сельского хозяйства. Сб. науч. работ аспирантов. Минск: ЦНИИМЭСХ Нечерноземной зоны СССР, 1978. -С. 135-141.

21. Евмененко Е.А., JIanno Н.М. К расчету параметров измерительного преобразователя влажности льновороха //Механизация и электрификация сельского хозяйства. Сб. науч. раб. аспирантов Минск: ЦНИИМЭСХ Нечерноземной зоны СССР, 1978.-С. 142-147.

22. Зафрен С.Я. Технология приготовления кормов. М.: Колос, 1977. -С. 104-105.

23. Измеритель добротности Е4-7. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. С.24-35.

24. Иоссель Ю.Я., Кочанов Э.С., Струнский М.Г. Расчет электрической емкости. JL: Энергия, 1969. - 239 с.

25. Исаева Т.Т. Оценка эксплуатационных режимов комплексных механизированных поточных технологических линий заготовки кормов //Тр. ЛСХИ. Л., 1982. - С. 69-71.

26. Карасенко В.А. Некоторые вопросы электрофизических свойств кормов применительно к обработке электрическим током //Сб. науч. тр. Бел. с.-х. академии. Горки, 1983. - Вып. 100. - С. 3-15.

27. Колесов Л.В., Александров В.А. Выбор метода и частоты измерения датчика влажности травяной муки в потоке //Тр. ЛСХИ. Л., 1978. - Т. 341.-С. 79-81.

28. Колде Я.К. Практикум по теории вероятностей и математической статистике: Учебное пособие для техникумов. — М.: Высшая школа, 1991. -С. 53-58.

29. Кострицын А.К. Резание сплошной грунтовой среды ножами и конусами //Сб. тр. по земледельческой механике. Т.З. М.: Сельхозгиз, 1956.

30. Кочетова Э.Л. К вопросу об электрических методах измерения влажности сенажа. //Автоматизация процессов сельскохозяйственного производства: Сб.тр. БИМСХ Горки, - 1975. - С. 36-41.

31. Кричевский Е.С. Высокочастотный контроль влажности при обогащении полезных ископаемых. М.: Недра, 1972. - С. 102-113.

32. Кудрявцев П.Н., Пугачев П.М., Секанов Ю.П. Специализированный контроллер //Автоматизация сельскохозяйственного производства: Тез. докл. междунар. науч.-техн. конф. М.: ВИМ, 1997. - Т.2. - С. 96-98.

33. Кульков O.B. и др. Зондовый индикатор влажности и температуры и его экспериментальные исследования //Технические средства агромонито-ринга.-Л., 1989.-С. 142-155.

34. Кучинскас З.М. и др. Оборудование для сушки, гранулирования и брикетирования кормов. М.: Агропромиздат, 1988. - С. 63-69.

35. Лазебный А.Ф. Исследования процесса сушки травы в прокосах // Тр. ин-та /Казанский СХИ. Казань, 1961. - Вып. 45. - С. 62-66.

36. Ларин И.В. и др. Луговодство и пастбищное хозяйство. Л.: Колос, 1975.-528 с.

37. Лесницкий В.Р. Заготовка сена. М.: Агропромиздат, 1988. - 13 с.

38. Лукашевич Н.М. Экспериментальные исследования некоторых физико-механических свойств силосной массы //Тр. ин-та /БИМСХ. Минск, 1960. - Вып. IV. - С. 244-259.

39. Лыков A.B. Теория сушки. М.:Энергия, 1968. - 471 с.

40. Малышева В.В., Попов В.Д., Сечкин B.C. К вопросу о продолжительности сушки травы в полевых условиях //Тр. НИПТИМЭСХ НЗ РСФСР. Ленинград, 1977. - Вып. 23- С. 9-12.

41. Матис И.Г. Электроемкостные преобразователи для неразрушаю-щего контроля. Рига: Издательство "Зинатне", 1977. - С. 67-75.

42. Меренбах Я.Ф. К оценке комплексного воздействия факторов на диэлектрическую проницаемость сельскохозяйственных материалов //Науч. тр. УСХА. Киев, 1982. - С. 21-25.

43. Меренбах Я.Ф. Измерительные конденсаторы для исследования диэлектрических свойств кормов //Науч. тр. УСХА. Киев, 1979. - Вып. 225. -С. 42-44.

44. Методика определения экономической эффективности технологий и сельскохозяйственной техники. М.: ВНИИЭСХ, 1998. - 220 с.

45. Михайличенко Б.П. Концепция кормопроизводства Российской Федерации //Кормопроизводство. 1995. - № 4. - С. 3-8.

46. Мовсисянц А.П. Вопросы повышения качества сена //Вопросы подъема производительных сил сельского хозяйства и развития орошаемого земледелия в Поволжье. М.: Колос, 1972. - С. 34-36.

47. Мовсисянц А.П. Основные вопросы технологии приготовления сена высокого качества //Технология производства кормов. М.: Колос, 1972. - С. 6771.

48. Могилевский Я.В. Определение оптимальной степени провяливания трав для приготовления сенажа: Дис. канд. техн. наук. — М.: ВИК, 1971. 196 с.

49. Мудров В.И., Кушко B.JI. Методы обработки измерений: Квазиправдоподобные оценки. М.: Радио и связь, 1983. - 304 с.

50. Нетушил A.B., Поливанов K.M. Основы электротехники. Ч.З. Теория электромагнитного поля. M.-JL: ГЭИ, 1956. - С. 36-38.

51. Нетушил A.B. и др. Высокочастотный нагрев диэлектриков и полупроводников. ГЭИ. M.-JI.-.1959. - С. 76-78.

52. Нормативно-справочный материал с/х техники ЦНИИТЭИ. М.,1984.

53. Операционная технология производства кормов. Сост. Орманджи К.С., Барабаш Г.И. М.: Россельхозиздат, 1981. - 319 с.

54. ОСТ 10202-97. Силос из зеленых растений. Технические условия.59.0СТ 10201-97. Сенаж. Технические условия.60.0СТ46.203-85.Сено. Приготовление и хранение. Типовой технологический процесс.

55. Отраслевые стандарты. Корма растительные. Типовые технологические процессы выращивания кормовых культур и приготовления кормов. — М.: ВО Агропромиздат, 1987. 64 с.

56. Павлов И.М. Совершенствование технологического процесса и обоснование параметров рабочего органа погрузчика для блочной выемки консервированных кормов из траншейных хранилищ: Автореф. дис. канд. техн. наук. Саратов, 1990. - 23 с.

57. Пальчук JI.M., Першина Л.П. Качество силоса и сенажа в зависимости от фазы уборки и влажности зеленой массы //Животноводство. 1982. -№9. с. 52-53.

58. Проспект фирмы "Dickey-John", США.

59. Проспект фирмы "Farmcomp OY", Финляндия.

60. Проспект фирмы "Kett" "Hay moisture meter, model M-8BC", Япония.

61. Проспект фирмы "Draminski electronic in agriculture" Тестер влажности Драминского для сена и соломы, Польша.

62. Проспект фирмы "Fortester 200","Isoelectric", Италия.

63. Проспект фирмы "RDS Technology Ltd.", Agricomputer МК-2, Англия.

64. Пугачев П.М. и др. Обоснование параметров первичного измерительного преобразователя влагомера сена //Автоматизация сельскохозяйственного производства: Тез. докл. междунар. науч.-техн. конф. М.: ВИМ, 1997. - Т.2. - С. 98-99.

65. Пугачев П.М., и др. Сорбционно-емкостные датчики в информационно-измерительных системах //Автоматизация сельскохозяйственного производства: Сб. докл. междунар. науч.-техн. конф. М.: ФГУП Изд-во «Известия», 2004. - 4.2. - С. 359-367.

66. Пугачев П.М., Секанов Ю.П. Перспективы использования математического моделирования для организации полевой сушки трав // Республиканской конференции «Математическое моделирование и проблемы автоматизации»: Тез. докл. Фрунзе, 1990. - С. 99-100.

67. Пугачев П.М., Секанов Ю.П. Использование компланарных датчиков для измерения влажности с/х материалов //Международной научно-технической конф. (3-7 октября): Тез. докл. М.: ВИМ, 1994. - С.99-100.

68. Пугачев.П.М., Шалаева Л.А. Выбор некоторых параметров зондо-вого датчика полевого влагомера сена //Тр. ин-та /ВИМ, 2001. Т. 134. - 4.2. - С.120-128.

69. Пятрушявичюс В.И., Любарский В.М. Активное вентилирование травяных кормов. Л.: Агропромиздат, Ленинградское отд., 1986. - 96 с.

70. Резник Н.Е. Теория резания лезвием и основы расчёта режущих аппаратов. М.: Машиностроение, 1975. - С. 30-31.

71. Секанов Ю.П., Пугачев П.М., Левина Н.С., Шалаева Л.А. Научные основы развития технической базы информационного обеспечения технологических процессов в растениеводстве //Техника в сельском хозяйстве. — 2004. №6. - С.60-66.

72. Секанов Ю.П. Влагометрия сыпучих и волокнистых растительных материалов. М.: Россельхозакадемия, 2001. - 189 с.

73. Секанов Ю.П., Галицын С.А., Пугачев П.М. и др. Рекомендации по применению влагомера кормов "Электроника ВЛК-01". -М.: ВИМ, 1986. 27 с.

74. Секанов Ю.П., Пугачев П.М., Левина Н.С. О состоянии влагомет-рии волокнистых материалов //Автоматизация сельскохозяйственного производства: Сб. докл. междунар. науч.-техн. конф. М.: ФГУП Изд-во «Известия», 2004. - 4.2. - С.367-373.

75. Смурыгин М.А. и др. Прогрессивные технологии приготовления сена. М.: Агропромиздат, 1986. - С.38-108.

76. Смурыгин М.А. и др. Справочник по кормопроизводству. М.: Агропромиздат, 1985. — 413 с.

77. Технические карты возделывания и уборки кормовых культур. -М., 1974.

78. Третьякова Т.В., Пугачёв П.М., Левитова Н.Л. Влияние плотности прессования кормовых трав на показания электрических влагомеров //Сб. науч. тр. ВИМ. М.: ВИМ, 1989. - Т. 122. - С.89-98.

79. Урамовский Ю.М. Разработка и исследование эффективности применения средств технологического контроля влажности кормовых материалов: Автореф. дис. канд. техн. наук. Минск: ЦНИИМЭСХ, 1982. - 17 с.

80. Хурцилава А.К. Разработка и исследование устройств контроля влажности строительных материалов: Дис. канд .техн. наук. М., 1981. - 176 с.

81. Чернышев В.О., Лившиц Л.С., Гусейнов Б.И. Исследование электрофизических характеристик кормовых материалов //Механизация и электрификация сел. хоз. Минск: ЦНИИМЭСХ, 1978. - Вып. 15. - С.89-97.

82. Электрофизические свойства травяных кормов: Научный отчет / ВИМ. № ГР 01.200.207672. - М., 2002. - 77 с.

83. Ahlgrimm H-J. Ein Beitrag zur dielektrischen Bestimmung des Feuchtegehalts an sehr feuchten organischen Stoffen //Grundlagen der Lfndtechnik. -1975. Bd. 25, №.6. - S.165-196.

84. Chen Yi, C.A.Rotz. A simulation model of field drying alfalfa. Paper ASAE, №86-1032,1986.

85. Cech V., Maskova H.,Dubnova D. Mereni vlhkosti picnin prenosnym vlhkomerem DJ FMT. Zemed. Techn., 34, 1988, c. 6, s. 359-366.

86. Delmhorst fiegtighedsmaler // Praverapp Stat. Jordbrugstekn forscrg. -1988.-№667.-P. 1-4.

87. Gupta M.J.et al. A simulation model to predict the drying time for pasture hay. 1989, vol.44, P. 1-10.

88. Haymatic jiegtignedsmaler til straafgorder Proverapp Stat jordbrugstekn forsoy, 1985. - № 468. - C.l-5.

89. Jerry D.H. I.J.Ross and B.J.Barfield. The use of vapor pressure deficit to predict drying time for alfalfa hay. Paper ASAE, № 76-3040, 1976.

90. Jones A, Lewis M.C. Annual Report, The Grassland Research Institute, 1978.-P. 65-66.

91. Jones L., Harris C.E. Plaut and swath limits to tring. In: Proceedings of a Conference on forage conservation in 80 s British Grassland Socity, Hurley, Maidenhead, 1980, p.67-71.

92. Kemp J.G., G.G.Misener and W.S.Roach. Development of empirical formulae for drying hay. Trans ASAE, vol.15, № 4,1972, P.723-725.

93. Ko R.S., Zoerb G.C. Dielectric constant of wheat straw // Trans. ASAE. St. Joseph, Mich. 1970. - Vol. 13, № 1. - P. 42-45, 47.

94. Martin N.P. Harvesting and storage quality hay. New Developments in Forages. 1980. -P. 177-192.

95. Monteith J.L. Evaporation and environment. Symposium of the society for Experimental Biolojy. vol.19, 1965, P. 205-234.

96. Rettig H., Mareyen M., Schmidt H. Ergebnisse aus der Erprobung eines Feuchteme gerates fur Grobfutterproben. Tad.-Ber., Akad.Landwirtsch.-Wiss. № 280, Berlin, 1989.

97. Rotz C.A., Yi Chen.Alfaalfa drying model for the Field Envizonment. Trans. ASAE vol.28, № 5, 1985, P.1686-1691.

98. Savoie P., R.C.Brook and C.A.Rotz Empirical model for field drying of alfaalfa. Paper ASAE, № 82-1528. 1982.

99. Sembery P. Mezögazdasägi szeme es szälas anyagok dielektromos jellemzöi. Akademiai Kiado, Budapest. 1979. - P. 30-77.

100. Smith E.A. et al. A Model for the Field Drying of Grass in Windrows. Journal of Agricultural Engimering Research, vol.41, № 4. 1988, P. 251-274.

101. Thompson N. Modelling of field drying of hay. J.Agric. Sei. vol.97. 1981, P. 241-260.

102. Thornley, J.H.M. Mathematical Models in Plant Physiology. Academic Press. London, UK, 1976.

103. Verfaren und Vorrichtung zum Bestimmung der Feuchtigkeit von Materialien. Пат. 572210, G01N 27/12, Швейцария.

104. West R. A forage moisture meter development and evaluation // Agr. Engineer. 1978. - Vol. 33, № 1. -P. 17-20.

105. Емкостной влагомер волокнистых материалов: A.C. № 14781008 СССР G 01 N 27/22. /Ю.П. Секанов, Н.Л. Левитова. Бюл. №17. 1989.

106. Устройство для определения влажности волокнистых и сыпучих материалов на ленте транспортера: A.C. № 1492257 СССР, G 01N 25/56. /Ю.П. Секанов, П.М. Пугачев, Е.В. Середа и др. Бюл. № 25. 1992. - 4 с.

107. Влагомер прессованных волокнистых материалов: Патент РФ № 1816107, G 01N 27/22. /Ю.П. Секанов, П.М. Пугачев и др. Бюл. №35.- 1996 -Зс.

108. Verfaren und Vorrichtung zum Bestimmung der Feuchtigkeit von Materialien. Пат. 572210, G01N 27/12, Швейцария.