Мощность отраженного СВЧ–сигнала от соцветий подсолнечника со стороны семян и обратной стороны, для дистанционного определения влажности семян подсолнечника

Размещено на http://www.allbest.ru/

Донской государственный технический университет

Мощность отраженного СВЧ - сигнала от соцветий подсолнечника со стороны семян и обратной стороны, для дистанционного определения влажности семян подсолнечника

УДК 537.874.2

ГРНТИ 47.14.13; 68.35.37

В.Л.Литвищенко, В.С.Кунаков, И.Я.Никифоров, Э.Р.Мансуров.

г. Ростов - на - Дону, РФ

Предложен способ и экспериментально исследована возможность, с помощью СВЧ - излучения миллиметрового диапазона, оперативно осуществлять дистанционное определение влажности семян подсолнечника. Создана лабораторная экспериментальная установка для измерения коэффициента отражения электромагнитных волн от соцветий подсолнечника в диапазоне частот 25,86 - 37,5 ГГц. С целью создания математической модели, учитывающей различие отраженного сигнала от стороны соцветия с семенами подсолнечника и обратной стороны, были проделаны экспериментальные исследования, мощности отраженного сигнала от соцветий подсолнечника с одной и другой стороны. Исследования проводились для соцветий разной степени зрелости.

Ключевые слова: СВЧ - излучение, измерение влажности, коэффициент отражения, оперативно дистанционный контроль, экспериментальная зависимость.

В современных технологических процессах агропромышленного комплекса, требуются методы и приборы, позволяющие дистанционно осуществлять оперативный контроль влажности широкого круга сельскохозяйственных культур, произрастающих на полях, с целью предоставить возможность сельхозпроизводителю принять оптимальное решение о моменте времени начала и сроках уборки урожая с каждого конкретного поля. Традиционные методы определения влажности с помощью ёмкостных влагомеров не могут справиться с этой задачей.Это приводит, как уже указывалось в работе [1], к дополнительным затратам на сушку зерна, которые составляют по Ростовской области, только для подсолнечника, порядка 400 - 500 миллионов рублей [1], а по всей России порядка 1.5 - 2 миллиарда рублей в сезон. Приведённые данные относятся только к одной культуре, а с учётом других сельскохозяйственных культур: зерна, кукурузы, рапса и т.д. эта цифра возрастает ещё больше. Оперативно получить информацию о влажности и некоторых других параметрах сельскохозяйственных культур могут позволить методы СВЧ - влагометрии. Рассмотрение нескольких из них приведены в работах [2], [3], [4]. Однако в этих работах рассматриваются методы определения влажности в уже убранной и подготовленной для переработки сельскохозяйственной продукции. В работах [5], [6], [7] используются методы пассивной СВЧ - радиометрии. Однако, при проведении этих исследований не ставилась цель определения влажности именно определённой части сельхозкультуры, (например семян подсолнечника). Для сельского хозяйства имеет существенное значение влажность именно материалов, а не всей культуры в целом.

Основная часть

В данной работе предлагается использовать СВЧ-излучение для дистанционного оперативного определения влажности сельскохозяйственных культур, произрастающих непосредственно на полях. Выбор этого диапазона для контроля влажности диктуется диэлектрическими свойствами воды, определяющими высокую чувствительность метода к содержанию влаги.

Метод предполагает проведение двух этапов.

Первый: исследование изменения характеристик электромагнитного поля, взаимодействующего с сельскохозяйственной культурой (например, с соцветием подсолнечника или початком кукурузы). Измеряемыми параметрами могут быть: изменение амплитуды прошедшей через влажный материал электромагнитной волны Е, изменение фазы этой волны Ф, коэффициент отражения электромагнитной волны от границы раздела сред <<воздух - материал>> Г, плотность потока электромагнитного излучения влажного материала Р.

На втором этапе необходимо выявить связь между изменениями указанных параметров при взаимодействии СВЧ-излучения с сельскохозяйственной культурой (например, соцветиями подсолнечника) и влажностью получаемого из неё зернового материала (семенами подсолнечника).

Эту связь можно определить экспериментально, отслеживая изменение параметров электромагнитного поля после взаимодействия их с соцветиями подсолнечника, а затем ставя ему в соответствие влажность семян подсолнечника, измеренную обычным ёмкостным влагомером. В дальнейшем для этих целей можно использовать, после соответствующей адаптации, математический аппарат, приведённый в работе [3].

Методика эксперимента подробно описана в работе [9].

В данной работе приведена зависимость отраженного СВЧ - сигнала от объемной влажности семян подсолнечника, находящихся в соцветии.

Полученные данные показывают, что при изменении влажности семян подсолнечника от 7% до 16%, мощность отражённого СВЧ-сигнала уменьшается примерно на 20%. Данный факт подтверждает возможность определения влажности семян подсолнечника по изменению мощности сигнала отражённого от соцветия подсолнечника. Данные исследования проводились с уже созревшим подсолнечником.

В процессе измерения влажности семян подсолнечника непосредственно на полях в диаграмму направленности (ДН) приёмопередатчика будут попадать не одно соцветие, а большее количество, причем часть соцветия будут развернуты к приемнику стороной семенами, а часть обратной стороной. В этом случае для сопоставления мощности отраженного СВЧ - сигнала и влажности семян подсолнечника, необходимо разработать математическую модель, учитывающую различие отраженного сигнала от стороны с семенами подсолнечника и обратной стороны при определенной влажности семян подсолнечника.

Для дальнейшей разработки такой математической модели были проведены измерения от сторон подсолнечника с семенами и от обратных сторон. Измерения проводились с подсолнечником разной степени зрелости с 5 августа по 24 сентября 2014 года. Подсолнечник исследовался с полей в Ростовской области, Мясниковский район. За указанный период времени в данной местности не выпало ни одного дождя. Полученные данные приведены на рис 1.

Рис 1. Зависимость мощности СВЧ - сигнала (в Дб) от соцветия подсолнечника со стороны семян и от обратной стороны в зависимости от времени (по суткам) с 5 августа по 24 сентября 2014 года.

(х) - штриховая линия - отражение от стороны с семенами подсолнечника.

(.) - сплошная линия - отражение от обратной стороны соцветия.

контроль влажность подсолнечник сельскохозяйственный

Заштрихованная область - сигнал зрелого подсолнечника с последующим смачиванием (объемная влажность от 6.5% - до 13%)

Анализ полученных данных показывает, что отражение от незрелого подсолнечника СВЧ - сигнала больше чем от зрелого. Отражение семян подсолнечника (штриховая линия) меньше чем отражение от обратной стороны, более чем на 0.5Дб. Влажность незрелого подсолнечника измеренная ёмкостным влагомером вплоть до 9 сентября была больше 13%. Начиная с 9 сентября, ёмкостной влагомер показал влажность порядка 9 - 10%. 14 сентября влажность была менее 8% и подсолнечник можно было считать созревшим.

Разность между сигналом от стороны сигнала подсолнечника и обратной стороной по мере созревания подсолнечника уменьшалась и к 14 сентября (когда подсолнечник полностью созрел) не превышало 0,1Дб.

Таким образом на основании полученных данных можно сделать следующие выводы:

1) Отраженные сигналы от семян подсолнечника и от обратной стороны соцветия для зрелого подсолнечника практически совпадают. Это значительно облегчает создание математической модели, которую предполагается использовать в указанном способе определения влажности семян подсолнечника для зрелого подсолнечника.

2) Для недозрелого подсолнечника разность отраженного сигнала от двух сторон соцветия превышает 0,5 Дб. Возможно, в дальнейшем этот факт можно использовать для диагностики и времени созревания подсолнечника произрастающего на полях.4

Литература

1. Кунаков В.С, Литвищенко В.Л. Методика дистанционного экспрессного исследования влажности сельскохозяйственных культур и материалов, произрастающих на полях, с помощью СВЧ - излучения. Материалы международной научно-практической конференции 4 -- 5 марта 2010 г., г. Ростов-на-Дону В рамках 13-й международной агропромышленной выставки

2. Бензарь В.К. Техника СВЧ - влагометрии. Мн., 1974.

3. Лисовский В.В. Теория и практика сверхвысокочастотного контроля влажности сельскохозяйственных материалов. Мн., 2005.

4. Лисовский В.В. Современные методы экспрессного измерения влажности сельскохозяйственных материалов. БГАТУ., Мн., 2006.

5.Головачёв С.П., Чухланцев А.А, Шутко А.М. Экспериментальное исследование СВЧ - излучения посевов с передвижной установки // Тезисы докладов XV всесоюзной конференции по распространению радиоволн, М., Наука, 1987, с. 408 - 409.

6. Арманд Н.А, Гранков А.Г, Милынин А.А. Возможности и перспективы использования спутниковых СВЧ - радиометрических средств дециметрового диапазона для дистанционного зондирования Земли. // В сб. Дистанционное зондирование земных покровов и атмосферы аэрокосмическими средствами. Всеросс. Научная конференция, Муром, 20 - 22 июня 2001, с. 297 - 301.

7. Гранков А.Г., Милынин А.А., Чухланцев А.А., Шелобанова Н.К. Спектральные особенности радиотеплового излучения лесного полога // Труды LVIX научной сессии НТОРЭС им. А.С.Попова, 19 - 20 мая 2004 г, т.2.с. 146 - 148, М., 2004.

8. Литвищенко В.Л, Кунаков В.С. Способ определения зерна зерновых сельскохозяйственных культур. Патент на изобретение №2438117.-опубл. 27.12.2011 бюл. №36.

9. Литвищенко В.Л, Кунаков В.С, Никифоров И.Я. Определение влажности семян подсолнечника по отраженному от соцветий СВЧ - сигналу // из вузов Сев.-Кавк. Естеств. науки. 2013. №6. С. 87-90.

Размещено на Allbest.ru