автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Радиоволновый метод и датчик для распознавания компонентов картофельного вороха

Научно-производственное объединение по сельскохозяйственному машиностроению ' • НПО висхом

На правах рукописи

ГАЙДУКОВА Светлана Николаевна

- удк 631.362.3-52:635.21

радиоволновый метод и датчик для распознавания:

компонентов картофельного вороха

Специальность 05.20.01 - механизация сельскохозяйственного производства

Автореферат

диссертации на соискание' ученой степени кандидата технических наук

Москва 1990

Работа выполнена в Научно-производственном объединении по сельскохозяйственному машиностроению - НПО ВИСХОМ и ,в Кировоградском.институте сельскохозяйственного машиностроения— КИСМ - х

Научный руководитель - лауреат Государственной

. • , , , " премии СССР, доктор техни- ч

, чёских наук, профессор

ПЕТРОВ Г.Д.

Официальные оппоненты - академик ВАСШИЛ, доктор . , , технических наук,

. профессор

БОРОДИН И.Ф. .

кандидат технических наук БЕРЕЩАГИН Н.И.

Ведущее предприятие - ГСКБ НПО "Молдсельмаш"

(г.Бельцы, Молдавской ССР)

' Защита состоится "¿6'", сентября 1990 г. в 10 часов на заседании специализированного совета К 132.02.01 по присуждению ученой степени кандидата технических наук Научно-производственного ■ объединения по сельскохозяйственному машиностроению - НПО ВИСХОМ по адресу: 127247, Москва, Дмитровское шоссе, 107. -

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке НПО ВИСХОМ..

Автореферат разослан " £" августа 1990 г.

Ученый секретарь . специализированного совета, доктор технических наук, .

профессор ' A.A. Сорокин

ОЩАЯ ХШКГЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Картофель - одна из важнейших и распространеннейших культур. Это традиционный продукт питания во многих районах СССР. По количеству занятых площадей (6,4 млн. га) и валовому сбору картофеля (87,2 млн.т в год) СССР занимает первое место в мире.

В "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1986-1990 годы и на период до 2000 года" намечено довести В 1990г. валовой сбор картофеля до 92млн.т.

Процесс уборки и послеуборочной обработки картофеля наиболее трудоемкий. Затраты труда на уборку и послеуборочную обработку картофеля составляют 60...'70$ всех трудозатрат. Использование картофелеуборочных комбайнов, осуществляющих выкопку картофельного вороха, отделение клубней от растительных примесей и основной массы почвы значительно снижает затраты труда, но не обеспечивает полного отделения примесей в виде прочных почвенных комков и камней.

На картофелесортировальный пункт после машинной уборки вместе с клубнями картофеля поступает 30...60?? твердых примесей. Содержащееся в потоке картофеля значительное количество соразмерных комков почвы и кашей вынуждает использовать для их удаления на картофелеуборочных комбайнах труд 2-6 рабочих-переборщиков, на картофелесортировальных пунктах сепарация картофеля от соразмерных примесей также, в основном, осуществляется вручную.

В СССР и за рубежом проводится работа с целью создания надежных сепараторов, способных с высоким качеством разделять картофельный ворох, получаемый от уборочных машин, на отдельные компоненты. В решении этой задачи наиболее сложным является разработка распознающего устройства, фиксирующего определенные физические параметры разделяемых тел и вырабатывающего сигнал, подаваемый после обработки на исполнительные органы, производящие разделение.

Настоящая работа посвящена изысканию высокоэффективного, относительно недорогого и надежного способа бесконтактного распознавания компонентов картофельного вороха и разработке-датчика для осуществления этого способа, что является актуальным в научном и практическом отношении.

Цель работы. Целью работы является снижение затрат ручного труда и повышение производительности сепарации картофеля путем создания способа и устройства для автоматического распознавания.

Объектами исследования являются компоненты картофельного Еороха: клубни картофеля, комки почвы, камни, которые необходимо разделять в процессе уборки и послеуборочной обработки картофеля, способы и средства их бесконтактного распознавания, взаимодействие радиоволнового измерительного преобразователя с клубнями картофеля и соразмерными примесями.

Методика исследований. Для решения поставленной задачи проведены теоретические и экспериментальные исследования.

В теоретических исследованиях взаимодействия антенны с компонентами картофельного вороха использованы методы электродинамики, теории распространения волн, теории антенн с использованием ЭВМ. Измерения электрических параметров клубней и комков почвы выполнены методами короткозаыкнутой линии и измерения затухания волн. При оценке влияния на распознавание размера компонентов, влажности примесей и др. применен метод полного факторного эксперимента. Обработка результатов экспериментов проводилась с использованием методов теории вероятностей и математической статистики. Расчеты надежности и технико-экономической эффективности осуществлены по стандартным методикам.

Научная новизну. В результате проведенного многокритериального анализа возможностей применения методов и средств неразрушапдего контроля для распознавания компонентов картофельного вороха обоснован выбор радиоволнового метода.

Предложен новый комбинированный радиоволновнй метод распознавания компонентов, защищенный авторским свидетельством СССР Л1097227, позволяющий получать разнополярные сигналы от клубней и комков почвы.

Построена теоретическая модель взаимодействия радиоволн с компонентами, математический анализ которой показал возможность распознавания на одной фиксированной частоте.

Проанализирована возможность применения радиоволнового метода прошедшей волны для целей распознавания и сделан вывод о бесперспективности его применения. 2

Предложена и реализована методика определения диэлектрической проницаемости, основанная на использовании резонансных свойств объекта измерения. Определены электрические и радиофизические параметры клубней и комков почвы в неисследованной ранее области дециметровых волн.

Разработана конструкция и схема радиоволнового датчика, а так же алгоритм обработки его сигнала.

Практическая ценность. На основе теоретических и экспериментальных исследований разработано устройство контроля, позволяющее отличать клубни от соразмерных примесей, что позволит автоматизировать процесс сепарации, снизить затраты ручного труда при уборке картофеля.

Реализация результатов. Осуществлена конструктивная привязка радиоволнового распознающего устройства к установке для фотоэлектронной сортировки томатов УСТ-20 производства ПО "Молдсельмаш" Сг.Бельцы), проведены заводские испытания сепаратора картофельного вороха.

Разработанное устройство может быть использовано на картофелесортировальных пунктах для послеуборочной обработки картофеля в организациях Минавтосельхозмаш.

Апробация. Основные положения и результаты работы доложены и обсуждены на Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы механизации сельскохозяйственного производства" 1г. Москва, 1985 г.); Республиканской научно-технической конференции "Автоматизация технологических процессов в животноводстве и растениеводстве - важный фактор реализации Продовольственной программы СССР" (г. Киев, 1985 г.);'Республиканской научно-технической конференции "Проблемы конструирования и технологии производства сельскохозяйственных машин" (г. Кировоград, 1986 г.), а так же на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Кировоградского института сельскохозяйственного машиностроения (1984-1990 г.г.).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 7 печатных работ, в том числе 2 авторских свидетельства.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 200 страницах, включает 66

рисунков, 13 таблиц, 3 приложения, список использованной литературы из 84 наименований, в том числе 9 на иностранных языках.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность теш, показана ее связь с планами развития и освоения новой техники, изложены выносимые на защиту положения и результаты.

В первой главе "Сравнительный анализ методов распознавания компонентов картофельного вороха" классифицированы виды и способы распознавания компонентов по характеру взаимодействия физических полей или веществ с контролируемым объектом, дана оценка величины контрастности в каждом виде не-разрушащего контроля, оценены методологические характеристики, а также технологические, эксплуатационные и экономические показатели каждого метода, обоснована целесообразность разработки для целей распознавания компонентов картофельного вороха радиоволнового метода и датчика.

Исчерпывающи анализ механических методов содержится в работах Г.Д. Петрова, в которых отмечается, что механические метода не обеспечивают полного и устойчивого разделения клубней и соразмерных примесей.

Общей тенденцией в развитии средств автоматизации является применение новейших физических методов неразрушапцего контроля, большинство из которых основано на бесконтактном определении параметров сред. Эти методы охватывают весь диапазон электромагнитных волн и ультразвуковую область акустических волн.

В соответствии с единым общесоюзным классификатором промышленной и сельскохозяйственной продукции и ГОСТ 1835379 неразрушаыций контроль, в зависимости от физических явлений, положенных в основу, подразделяется на виды: магнитный, проникающими веществами, электрический, вихретоковый, акустический, тепловой, оптический, радиационный, радиоволновый. Сведения о физических свойствах клубней картофеля, комков почвы и камней, опыте их распознавания средствами неразру-шаицего контроля содержатся в работах Ф.И. Еатяева, И.Ф.Бородина, Т.П. де Лоора, В.К. Калаптуровского, H.H. Колчина, С.Н. Крашенинникова, C.B. Нерпина, Г.Р. Носова, Л.Г. Сакало, 4

С.А. Саид-Ходааева, P.A. Срапекянца, В.И. Старовойтова, Г.Д. Петрова, Н.Б. Троицкого, А.Ф. Чудновского.В.П.Феня и др.

Проведен сравнительный анализ возможностей применения методов неразрушающего контроля. Результаты оценки по отдельным критериям, полученные путем анализа и обработки литературных источников и собственных экспериментов, сведены в таблицу I. Знаком "+" в соответствующих графах таблицы показано нгличие положительного качества у данного метода, а знаком "-" - его отсутствие.

Целесообразность исследования и разработки радиоволновых методов для распознавания клубней от примесей обусловлена их преимуществами по сравнению с другими методами распознавания.

В соответствии с целью работы определены следунцие задачи исследований:

1. Разработать теоретическую модель взаимодействия радиоволн с компонентами картофельного вороха и провести ее экспериментальную проверку.

2. Определить электрические и радиофизические параметры клубней и комков почвы различной влажности в неисследованном ранее диапазоне дециметровых волн.

3. Оценить возможность применения амплитудно-фазового метода непосредственного радиоволнового "просвечивания" компонентов.

4. Разработать теорию и исследовать возможности применения комбинированного радиоволнового метода распознавания.

5. Сконструировать радиоволновый измерительный преобразователь и исследовать его взаимодействие с различными компонентами картофельного вороха.

6. Исследовать возможность получения разнополярных сигналов от распознаваемых компонентов на фиксированной частоте радиоволн.

7. Определить частоту, на которой сигнал измерительного преобразователя линейно зависит от объема клубня.

8. Разработать схему и алгоритм обработки сигналов измерительного преобразователя.

9. Провести заводские испытэ"ия распознающего устройства на сортировальной установке с поштучной подачей компонентов картофельного вороха в зону контроля.

Таблица I.

КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ РАСПОЗНАВАНИЯ КЛУБНЕЙ ОТ ПРИМЕСЕЙ

х

Нй

Ье влияют на распознавание

КРИТЕРИИ

МЕТОДЫ

I

ее о п

ив о ле* ья ии ОЕ Со

ье

¥

хв он

«о

О) де

с, о к®

X О

к ж

Е

с

ш к х

О)

я« па>

£Х от

рэ

я

Я)

а>ё хго

О) X

от ил

л ь

о о

СП ЙО

?3и

I

к

М т

5 ^ о о С Ш ¡3-

§3

ь

о X а> Я

г!

ч «ч о о И Н

МАГНИТНЫЙ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ

по электропроводности

йй -емкости

ЕИХРЕТОКОВШ

по полному сопротивлению

АКУСТИЧЕСКИЙ

ТЕПЛОВОЙ

ОПТИЧЕСКИЙ

РАДИАЦИОННЫЙ

РАДИОВОЛНОВЫЙ

по яркостному контрасту по цветовому контрасту

по поглощению гамма-лучей

по поглощению рентген.лучей по поглощению и отражению

по отражению

по прохождению

комбинированный

- + + -+ + + + + + + + + + + + +

+ + + + + + + + +

+ + + + + + + + +

+ + +

+ + + + + + + +

- - +

+ + + + +

+ - - +

+ +

+ + + + +

8 8 9 12 9 7 5

7 10

9

8

11 10

12 15

от

Во второй главе "Теоретические исследования взаимодействия радиоволн с клубнями картофеля и комками почвы и разработка способа их распознавания" рассмотрено взаимодействие радиоволн с диэлектрическими средами, представляющими компоненты картофельного вороха. Оно сопровождается эффектами отражения, прохождения и поглощения волн, и характеризуется соответствующими радиофизическими параметрами: коэ<ф-фициентами отражения и прохождения, а также эффективной глубиной проникновения волн. Первичными же параметрами контролируемых сред, через которые, в конечном счете, выражаются их радиофизические параметры, являются диэлектрическая проницаемость £ и тангенс утла диэлектрических потерь-

и^О . Сведения об £ и Ь^б клубней и почвы в диапазоне частот 20-500 МГц изменения электромагнитного поля содержатся в работах Калалтуровского В.К., кроме того, для клубней такие данные, относящиеся к диапазону 3-16 ГГц, получены -Г.П. де Лоором (Голандия). По ним были рассчитаны вторичные-радиофизические параметры контролируемых сред в указанных диапазонах частот, а также осуществлена интерполяция и экстраполяция значений этих параметров на неисследованные ранее частотные области.

Предложен комоинированный радиоволновый способ распознавания компонентов картофельного вороха, заключающийся в ол едущем.

Если поштучно подаваемые, например, на металлическую подложку, компоненты облучать нормально электромагнитными волнами, то от каждого объекта получим две волны: первую -отраженную от верхней поверхности и вторую - прошедшую через него сначала в одном направлении, а затем, после отражения от нижней поверхности, - в обратном. Первая (отраженная) и вторая (прошедшая) волны движутся в направлении обратном облучающей волне, причем мевду ними возникает разность хода, равная 2.С Ш" , где С - эффективная толщина объекта. Волны эти когерентны и интерферируют взаимно усиливая или ослабляя друг друга в зависимости от соотношения между разностью хода и длиной волны Ло .

Наш обнаружено, что величины № для клубней примерно в 2 раза^ не зависимо от частоты, превосходят такие же величины \Ег для почв сухой и средней влажности, из ко-

торых образуются прочные комки. Это означает, что длина волны в клубне примерно в 2 раза меньше, чем в почве. Таким образом, если, например, для клубня упомянутая разность хода равна длине волны и интерферирующие волны максимально усиливают друг друга, то для соразмерного комка почвы разность хода составляет половину длины волны и возникает наибольшее взаимное ослабление волн. В результате, при подаче клубня в зону контроля суммарный отраженный сигнал становится больше, чем от подложки, а при подаче кожа почвы - меньше. По знаку изменения суммарного отражения осуществляется распознавание. Зная длину волны, при которой отражение от клубня максимально, можно оценить его толщину и использовать эту информацию для сортировки клубнея по фракциям.

Условия максимального усиления и ослабления волн зависят от С и Л-о • Tai: как размеры компонентов неодинаковы, то для выполнения этих условий можно изменять Ло. Пределы изменения должны оыть от 2. С min № до 2.С ток где С min и Ста* - наименьшая и наибольшая эффективные толщины компонентов в ворохе (для однозначного распознавания они не должны отличаться больше, чем в 2 раза). Оценка показывает, что, например, для средней эффективной толщины компонента С «¡2 см ^реальная толщина примерно в 2 раза больше),.при £и= 64, частота распознавания лежит в районе I ГГц.

Реализация предложенного способа предполагает изменение длины волны электромагнитного излучения в широком диапазоне. Соответствугацая аппаратура, которая должна включать генератор качающейся частоты, широкодиапазонную антенну, ряд других широкополосных устройств, сложна и дорогостояща. С другой стороны, для распознавания, заключающегося в регистрации усиления или ослабления отраженного сигнала не обязательно выполнение резонансных условий (максимального усиления и максимального ослабления). В реальных образцах из-за поглощения волн и особенностей формы резонансные кривые "расплываются" в частотной области. Поэтому должен существовать широкий диапазон изменения размеров компонентов и диэлектрических параметров почвы и других примесей, в котором усиление или ослабление отражения, а значит распознавание, возможны на одной фиксированной частоте. Это существен-8

нс упростило бы реализацию предложенного способа распознавания (правда, теперь нужно искать другой путь оценки размеров клубней).

Для решения этой задачи построена теоретическая модель взаимодействия квазиплоских радиоволн с компонентами картофельного вороха, учитывающая отражение, прохождение, поглощение, дифракцию и интерференцию волн.

Выражение для полезного сигнала, равного изменению напряженности электрического поля в месте расположения при-емо-переданцей антенны, вызванному внесением объекта в зону облучения, имеет вид:

где В - константа, зависящая от конструкции антенны и тока в ней;

Ср- дифракционный множитель;

| - частота электромагнитных волн в сотнях мегагерц;

^ - высота расположения антенны над подложкой; 0-, & , С - длина, ширина и эффективная толщина объекта;

. электрические параметры контролируемой среды; Ч-^ТцЯц- радиофизические параметры: коэффициент отражения и коэффициенты прохождения границы раздела воздушной (индекс I) и контролируемой (индекс 2) сред.

На рис. I в качестве примера представлены, рассчитанные на ЭВМ, частотные зависимости информативной части выражения для полезного сигнала — д£п/В , полученного от клубней и комков почвы разной влажности. Как видно из рисунка, тлеются обширные частотные области в районе I ГГц, в которых распознаваемые компоненты дают разнополярные сигналы в большом интервале влажностей почвы. Переменные и С , входящие в аргумент косинуса, равноправны, следовательно, при фиксированной частоте электромагнитных волн распознавание возможно также в широком диапазоне изменения толщины компонентов.

В выражении (I), в окрестности точек, в которых оно обращается в нуль, можно выделить толщину С в качестве

множителя. С учетом уже теыдихся множителей й м б , получено соотношение, в котором полезный сигнал пропорционален объему клубня, или его массе

дЕ~аос~У~т (2)

Таким образом, после обнаружения клубня можно оценить его массу.

Рис. I. Рассчетные частотные зависимости информативной части выражения полезного сигнала ДЕЬ/о, полученного от компонентов картофельного вороха с параметрами &= 0,056 м, б = 0,052 м, С = 0,02 м: I - клубни; 2 - комки почвы ( V = 23%); 3 - комки почвы (V = Ш).

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований.

Проверялась возможность применения радиоволнового амплитудно-фазового метода контроля "на просвет" для распознавания компонентов картофельного вороха. Известно, что метод реализуется, если размеры образца в направлении перпендикулярном облучению больше или порядка длины волны, а в направлении "просвечивания" - меньше эффективной глубины проникновения волн.

Установлено: крупные клубни распознаются только на фоне сухих комков почвы или кашей; средние и крупные клубни, а также влажные комки почвы электромагнитными волнами длиной 3-7 см не "просвечиваются", на дайне волны 7 см наблюдается огибание волной исследуемых объектов (дифракция); с уменьшением длины волны компоненты теряют радиопрозрач-10

ность, а с увеличением - возрастает дифракция, маскирующая эффект просвечивания.

Полученные результаты позволяют сделать вывод, что упомянутые условия реализации метода контроля "на просвет" не выполняются, и его применение для решения задачи распознавания неперспективно.

Как показали теоретические исследования, распознавание предложенным комбинированным методом должно осуществляться на частотах электромагнитных волн в районе I ГГц. Данных о первичных параметрах и Ь^О клубней и почвы на этой частоте нет. Для построения теоретической модели во второй гла-Ее допускались интерполяция и экстраполяция данных Калапту-ровского В.К. и Г.П. де Лоора на неисследованную область. Справедливость такого допущения нуждалась в проверке. Кроме того, методика определения и должна соответствовать методу контроля компонентов в технологическом процессе, причем размеры объекта контроля и объекта измерения, с которым соотносятся эффективные значения £ и должны быть со-

измеримы.

Предложена следующая разновидность методики определения диэлектрической проницаемости. Исследуемый плоскопараллельный образец толщиной С помещается в конце измерительной линии, например, типа Р1-Г7, замкнутой на том же конце. Начало линии подключается к панорамному автоматическому измерителю коэффициента стоячей волны напряжения (КСВН), например, типа Р2-73. Волна% посылаемая в линию генератором качающейся частоты, автоматически перестраиваемым в широком диапазоне, отражается от передней границы образца и задней его границы, расположенной непосредственно на короткозамыкателе. Интерференция этих двух волн приводит то к усилению результирующего отражения, если на разности хода 2.С'1К укладывается целое число длин волн, то к его ослаблению, если на разности хода укладывается нечетное число полуволн. Коэффициент отражения однозначно связан с КСВН. На дисплее КСВН-метра отображается зависимость КСВН от частоты § .имеющая вид чередующихся минимумов и максимумов. Записав и пронумеровав частоты, при которых наблюдаются экстремумы КСВН, получают набор значений , соответствующих этим частотам, т.е. дис-

Персию диэлектрической проницаемости:

m = I, 2, з

t • • •,

где нечетным fn отвечают минимумы, а четным - максимумы; частота выражена в сотнях мегагерц.

По этой методике определена дисперсия диэлектрической проницаемости клубней и почвы влажностей 13,1$, 20,3%, 27,9$ в диапазоне 10-1250 МГц. Исследования почвы показали значительную ее радиопрозрачность на упомянутых частотах. Например, в эксперименте с образцом почвы влажности 13,1$ толщиной С = 0,058 м частотная зависимость КСВН в диапазоне 101250 МГц имеет 23 экстремума. С увеличением влажности почвы ее радиопрозрачность уменьшается. Клубни, по сравнению с почвой, обладают значительным поглощением. Отчетливо обнаруживается только первый минимум отражения ( W = 1). Вблизи него КСВН резко уменьшается на порядок. Дисперсия в этом случае получена изменением толщины образца.

Тангенс угла диэлектрических потерь клубней и почвы различной влажности определен методом измерения коэффициента затухания волн в линии.

Впервые полученные в диапазоне 500-1250 МГц частотные

рис. 2 и 3 вместе с данными Калалтуровского В.К. (20-500 МГц) и Г.П. де Лоора (3-16 ГГц), найденными другими методами. Как ввдно из рис. 2. в неисследованной ранее области дециметровых волн клубни оказались наиболее радиопрозрачны.

С целью определения фиксированной частоты, на которой распознавание осуществляется в широком диапазоне изменения размеров компонентов и влажности примесей, проведены экспериментальные исследования взаимодействия антенны с реальными объектами - клубнями картофеля, почвенными комками и камнями. Для автоматизации экспериментов была изготовлена широкодиапазонная приемо-передащая антенна. Она включалась в качестве нагрузки КСВН-метра, а выход индикатора последнего соединялся с графопостроителем. Экспериментатор задавал интервал частот, помещал объект в зону контроля и запускал графопостроитель. В результате на осциллограмме отображался сигнал антенны в заданном интервале.

V

\

\ V, <

<

1

/ \

"41 < и

Ч

\

ед!Ш

Рис. 2 Рис. 3

Частотные зависимости диэлектрической проницаемости £ и тангенса угла диэлектрических потерь Ь^бклубней картофеля: I - по данным Калаптуровского Б.К.; 2 - по данным Г.П. де Ло-ора; 3 - результаты собственных экспериментов

Исследования проводились в частотном диапазоне 3001250 МГц. В качестве образцов использовались реальные компоненты картофельного вороха: клубни с размерами О, от 46 до 101 мм, & от 36 до 81 и, С от 32 до 71 мм; комки почвы тех же размеров при влажности 4,3%, 17,2$, 33,2$; камни.

Оптимальная для распознавания частота составила 1065 МГц, т.е. оказалась в теоретически предсказанной области вблизи I ГГц. Реакции антенны на внесение образца в зону контроля в зависимости от его объемного фактора У^—СХ&С , полученные на частоте 1065 МГц, представлены на рис. 4.

Положительные сигналы получены для клубней всех размеров, отрицательные - для камней всех размеров и комков почвы с объемным фактором меньшим 270 см3 при влажности 33,2$, меньшим 360 см3 при влажности 17,2$, меньшим 460 см3 при влажности 4,3$. По величине сигналы от клубней существенно меньше, чем от комков почвы. Это находится в соответствии с теорией и объясняется больней радиопрозрачностью почвы, особенно сухой.

Другая задача, которая наряду с распознаванием элементов картофельного'вороха ставилась в этом эксперименте, заключалась в определении размеров и массы клубня по величине сигнала антенны. Подбиралась частота волн, при которой сигнал пропорционален объему образца, т.е. выполняется соотно-

13

1

шение (2). Необходимо было найти такую частоту вблизи частоты распознавания, т.к. технически реализовать эффективное излучение волн с сильно отличающимися частотами одной и той же антенной невозможно. Наилучшая линейность между сигналом и объемным фактором получена на частоте 1035 МГц.

и. 6 л. / ° /

о/ о % о | 0 ° i о / / , /

о ^ 3 » / / 5

гЛ/\ * /\ , /1

/ J-ШМГц

V

Рис. 4. Зависимость выходного сигнала антенны'от объемного фактора компонента, помещенного в зону контроля: I -клубни; 2 -комки почвы \х/ = 33,2$; 3 - комки почвы W = 17,252; 4 - комки почвы \х/= 4,3$; 5 - камни

После конкретизации рабочих частот осуществлен переход от широкодиапазонной антенны к узкополосной. При этом уменьшились габариты, упростилась конструкция и повысилась чувствительность антенны. Выбран вариант микрополосковой антенны в виде прямоугольного полуволнового вибратора.

Чтобы исключить взаимное влияние антенн соседних каналов поштучной подачи, антенна экранирована с двух боковых сторон металлическими стенками. Она устанавливается над металлической подложкой на высоте 80 мм полосковым экраном вверх. Подложка, боковые стенки и экран антенны образуют ячейку с замкнутым внешним контуром, через который проходят компоненты картофельного вороха. Ширина ячейки - 150 мм, -равна ширине канала. 14

Определены нормированные продольная и поперечная, по отношению к направлению подачи компонентов, диаграммы чувствительности полученного первичного измерительного преобразователя. Минимальное расстояние между следующими друг за другом компонентами, при котором они воспринимаются раздельно, составляет 67±8 мм.

В четвертой главе рассмотрена техническая реализация устройства распознавания компонентов картофельного вороха.

В качестве активного элемента измерительного преобразователя выбран автогенератор СВЧ в полосковом исполнении с электронной перестройкой частоты варикапом. Микрополосковая антенна включается в цепь нагрузки автогенератора. Они вместе с экраном образуют компактную конструкцию измерительного преобразователя. Определены конструктивные и электрические параметры автогенератора. Исследованы вопросы настройки, переключения частоты, согласования с антенной.

Разработаны структурная и принципиальная схемы электронного блока, предназначенного для управления частотой автогенератора, выделения и усиления сигналов измерительного преобразователя на частоте распознавания и частоте оценки массы клубня, выработки управляющего сигнала для исполнительных механизмов сепарирующего и сортирующего устройств.

Структурная схема устройства представлена на рис. 5.

Устройство работает следующим образом. Автогенератор I возбуждает в антенне 2 высокочастотные колебания. Тактовый генератор 4 через повторитель 5 подает на варикап авто-

-<ш

* рВ^*"<о -<з ~т—-

XI Т—г—¿яг

6 ^ —

чн

1

Рис. 5. Структурная схема устройства распознавания компонентов картофельного вороха:

I - автогенератор; 2 - антенна; 3 - экран; 4 - тактовый генератор; 5 - повторитель; 6 - комштатор; 7, 8 - усилители; 9 - компаратор; 10 - ключ; II, 12 - индикаторы; 13 - экстрематор; 14 - сумматор; 15 - распознаваемый объект

генератора напряжение формы меандра, периодически изменяя частоту автогенератора с 1065 МГц на 1035 МГц. Устройство поштучной подачи вносит в измерительный преобразователь элемент 15 картофельного вороха. На выходе автогенератора возникает сигнал, изменяицийся с частотой тактового генератора. Коммутатор 6, синхронизированный с тактовым генератором, разделяет сигнал на два канала. В нижний канал поступает сигнал автогенератора, работающего на частоте распознавания 1065 МГц, в верхний - на частоте оценки массы клубня 1035 МГц. Сигналы сглаживаются и усиливаются усилителями 7 и 8, соответственно. Компаратор 9 сравнивает сигнал с пороговым значением, в результате на его выходе возникает напряжение +9 Б при обнаружении клубня и -9 В во всех остальных случаях. Это управляющий сигнал распознающего устрой-^ ства. Он подается на исполнительный механизм сепаратора и дублируется индикатором II. Положительный сигнал компаратора посредством ключа 10 соединяет выход усилителя 8 в канале оценки массы с входом экстрематора 13. Тот определяет и фиксирует экстремум сигнала, пропорциональный массе, индикатор 12 индицирует этот результат в единицах массы, сумматор 14 добавляет его к предыдущему результату. Сигнал экстрематора является управляющим для исполнительного механизма сортирователя.

Конструктивно устройство состоит из трех секций: измерительной ячейки, секции автогенератора и электронного блока, расположенных друг над другом. Определены технические характеристики устройства.

Определен набор наиболее существенных факторов, меша-нцих распознаванию. С помощью планированного многофакторного эксперимента оценено влияние объемного фактора, влажности почвы, содержания физической глины в почве , сорта картофеля.

Отношение сигнал-помеха в среднем по факторному пространству составило более 2,5, что больше среднего отношения коэффициентов отражения клубней и почвы, равного 1,5. Это подтверждает участие волны, отраженной от нижней поверхности компонента в формировании сигнала распознавания.

Увеличение размеров, влажности и содержания глины почвенных комков ухудшает распознавание, причем первый фактор влияет сильнее двух других. Поэтому при наличии крупных ком-

ков целесообразно предварительно разделить картофельный ворох на две фракции.

Влияние сорта и формы клубней оказалось незначимым.

Производственные испытания распознающего устройства проведены в ГСКБ ПО Молдселылаш (г.Бельцы) на установке УСТ-20 для фотоэлектронной сортировки томатов. Установка имеет поштучную подачу кошонентов и электромеханический отделитель примесей. Точность распознавания составила 90-95$, влияния загрязнения клубней на результат распознавания не обнаружено.

Рассмотрена проблема обеспечения безопасной работы персонала в непосредственной близости от радиоволнового устройства. Теоретический расчет и непосредственные измерения показали, что интенсивность электромагнитного излучения, примененного в устройстве распознавания, даже в пределах измерительной ячейки значительно ниже предельно допустимой, поэтому эксплуатация устройства не представляет опасности дая здоровья человека.

Надежность устройства, определенная по типовой методике, принятой для расчета надежности радиоэлектронной аппаратуры и элементов автоматики, составила не менее 0,97 за сезон работы.

Применение радиоволнового распознающего устройства на картофелесортировальном пункте КСП-15Б дает возможность освободить 5 человек от тяжелого ручного труда в напряженный осенний период. Годовой экономический эффект от внедрения распознающего устройства составляет 743 руб на один кар-тофелесортировальный пункт. Экономия на тонну картофеля -0,25 руб. Окупаемость - 0,41 сезона использования.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

I. Для автоматического бесконтактного безинерционного и безопасного распознавания компонентов картофельного вороха путем получения разнополярных сигналов от клубней и примесей, в условиях изменчивости размеров кошонентов и влажности примесей, загрязнения клубней и запыленности зоны контроля, наиболее приемлем радиоволновый комбинированный метод, сочетающий отражение от компонента и прохождение через него волн.

2. Исследования альтернативного амплитудно-фазового метода, в котором используется только проходящие через компоненты волны, длина которых соизмерима с размерами компонентов, показали, что средние и крупные клубни, а также влажные комки почвы электромагнитными волнами длиной 3-7 см не просвечиваются. При больших длинах волн наблюдается сильная дифракция, маскирующая эффект прохождения, при меньших -компоненты теряют радиопрозрачность. Это позволяет сделать вывод о бесперспективности применения указанного метода в задаче распознавания компонентов картофельного вороха.

3. Предложен, исследован и реализован комбинированный радиоволновый способ распознавания компонентов картофельного вороха, заключающийся в их поштучном облучении электромагнитными волнами и регистрации результата интерференции волн, отраженных от передней и задней поверхностей каждого элемента вороха. При этом частота колебаний, выбранная в соответствии с интервалами изменений размеров и диэлектрических проницаемостей распознаваемых компонентов так, чтобы интерферирующие волны в случае клубней усиливали, а

в случае примесей ослабляли друг друга, приводя к распознаванию, составила 1065 МГц.

4. Предложена разновидность методики определения диэлектрической проницаемости сред, основанная на использовании резонансных свойств объектов измерения. Определены электрические (диэлектрическая проницаемость и тангенс утла диэлектрических потерь) и радиофизические (коэффициент отражения и эффективная глубина проникновения) параметры клубней и почвы различной влажности в диапазоне частот 10 МГц -1,25 ГГц. Результаты хорошо согласуются с данными других авторов как со стороны нижних, так и со стороны высоких частот и включают неисследованную ранее ооласть дециметровых волн, в которой клубни оказались наиболее радиопрозрачны.

5. Построена теоретическая модель взаимодействия квазиплоских радиоволн с компонентами картофельного вороха. Получено выражение для сигнала, вызванного внесением элемента картофельного вороха в зону контроля, в функции размеров элементу и его электрических параметров. Эта модель подтверждена экспериментальными исследованиями и уточнена введением множителя, учитывающего дифракцию волн на образце. Оценена роль факторов, мешающих распознаванию.

6. Теоретически предсказана и экспериментально подтверждена возможность получения сигнала, пропорционального объему контролируемого элемента. Ближайшая к частоте распознавания частота, на которой реализуется указанная зависимость, составляет 1035 МГц. Измерения на этой частоте позволяют после распознавания клубня оценить его массу с относительной погрешностью 11%.

7. Разработана конструкция и схема, реализован макетный образец устройства распознавания компонентов картофельного вороха, основными блоками которого являются: измерительный преобразователь с :ликрополосковой вибраторной антенной; полосковый СВЧ-автогенератор с электронной перестройкой частоты варикапом, нагрузкой которого является упомянутая антенна; электронный блок, предназначенный для управления частотой автогенератора, выделения л усиления сигналов измерительного преобразователя на частоте распознавания и частоте оценки массы клубня, шработки управляющего сигнала для исполнительных механизмов сепарирующего и сортирующего устройств.

8. Производственные испытания распознающего устройства, проведенные в ГСКБ ПО Молдсельмап (г. Бельцы) на установке УСТ-20 для фотоэлектронной сортировки томатов, тлеющей поштучную подачу компонентов и электромеханический отделитель примесей, подтвердили работоспособность устройства. Точность распознавания составила 90-95$. Отмечено важное достоинство радиоволнового метода - отсутствие влияния загрязнения клубней.

9. Надежность устройства не менее 0,97 за сезсиработы картофелесортировального пункта.

10. Годоеой экономический эффект от внедрения распознающего устройства на стационарном картофелесортировальном пункте КСП-15Б составляет 743 руб, экономия на тонну картофеля - 0,25 руб, окупаемость - 0,41 сезона.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

I. Распознавание элементов картофельного вороха антенными измерительными преобразователя!.™.- Респ. науч.-техн. конф. "Автоматизация технологических процессов в животноводстве и растениеводстве - важный фактор реализации Продо-

19

волъственной программы СССР":. Тез. докл., Киев, 1985, с. 13-14 (соавтор Петров Г.Д.).

2. Радиоволновое обнаружение клубней в картофельном ворохе. В сб.: Конструирование и технология производства с.-х. малпш, вып. 16, Техника, К.: 1986, с. 57-59.

3. К вопросу о распознавании корнеклубнеплодов от комков почвы и камней.- В кн.: Проблемы конструирования и технологии производства сельскохозяйственных машин: Тез докл. респ. конф., Кировоград, 1986, с. 78-79 (соавтор Петров Г.Д.)

4. Анализ методов распознавания компонентов картофельного вороха.- Тракторы и сельхозмашины. 1989, JS5, с. 36-38 (соавтор Петров1Г.Д.).

5. Теоретические исследования взаимодействия радиоволн с клубня™ картофеля и комками почвы и разработка способа их распознавания. Депонированная рукопись, 1989, Ш171-Ук89, 35 с.

6. Способ распознавания и отделения клубней картофеля от комков почвы и камней.- A.c. 1097227 (СССР), опубл. в Б.И., 1984, №22 (соавторы: Петров Г.Д., Воробейчик В.Я.).

7. Устройство для измерения параметров диэлектрических материалов.- A.c. 1288562 (СССР), опубл. в Б.И., 1987, )ЬЪ (соавторы: Борисевич Ю.В., Воробейчик В.Я., Петров Г.Д. и др.)